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Steuereinrichtung für Regelgetriebe, insbesondere Kranantriebe Es
ist bekannt, bei einem mittels eines rotierenden hydraulischen Getriebes angetriebenen
Aufzug einen elektrischen Leitmotor in der Weise anzuordnen, daß dessen Wellenstumpf
mittels eines mechanischen Differentialgetriebes einerseits mit der Abtriebswelle
des hydraulischen Getriebes oder dem eigentlichen Aufzugswindenantrieb, andererseits
mit dem Stellzeug des hydraulischen Getriebes verbunden ist. Wenn hierbei in ebenfalls
bekannter Weise nach Ausschalten des Stromes durch eine Bremse der Anker des Leitmotors
festgehalten wird, hat diese Einrichtung die vorteilhafte Eigenschaft, unter allen
Umständen den Stillstand des Aufzuges zu sichern, und zwar auch dann, wenn das hydraulische
Getriebe einen gewissen, von der Last abhängigen Schlupf aufweist.
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Bei dieser bekannten Einrichtung an einem Aufzug wird der Leitmotor,
welcher ein Gleichstromnebenschlußmotor ist, mit einem Wendeanlasser vom Aufzugführer
in Betrieb gesetzt. Dieser Wendeanlasser hat die Eigenschaft, daß beim Auslegen
des Steuerhebels aus seiner Nullage gleichzeitig die Bremse gelüftet, eventuell
auch die Erregung des Leitmotors eingeschaltet wird, sofern diese nicht dauernd
eingeschaltet bleibt, und schließlich der Ankerstromkreis über eine Reihe ausschaltbarer
Widerstandsstufen an die verfügbare Gleichspannung so angelegt wird, daß der Anlauf
wie bei Gleichstromnebenschlußmotoren üblich, und zwar in der gewünschten Richtung,
vor sich geht.
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Diese Einrichtung hat nun den Mangel einer sehr schlechten Steuerfähigkeit.
Dies liegt gemäß den Grundlagen dieser Erfindung daran, daß außer der Zeit, welche
das hydraulische Getriebe für seinen Anlauf benötigt - und diese ist wegen der kleinen
Massen der hydraulischen Motoren, insbesondere solcher der Axialkolbengetriebebauart,
verhältnismäßig gering -, auch noch eine weitere Verschleppung durch den Anlauf
des Leitmotors über die vorgesehenen Widerstandsstufen eintritt. Es sind also beim
Anlauf oder überhaupt bei Veränderungen des Bewegungszustandes des Aufzuges zwei
Trägheiten hintereinandergeschaltet, und diese erweisen sich, zumal dann, wenn sie
von ähnlicher Größenordnung sind, als außerordentlich schädlich. Es zeigt sich,
daß der Führer des Aufzuges mit dieser Einrichtung nur sehr langsam und ungenau
ein sanftes Anfahren des Aufzuges erreichen kann. Dies beruht darauf, daß beim Einschalten
der ersten Widerstandsstufe der Motor nur einen mäßigen Drehimpuls erhält und bis
beinahe zu seiner höchsten Drehzahl anlaufen kann, wenn er wenig belastet ist, was
bei einer leichtgängigen Differentialgetriebeanordnung in der Regel der Fall ist.
Die Drehzahl ist also zumal in der ersten Widerstandsstufe oder auch in der der
Nullpunktstellung nahegelegenen Lage des Steuerhebels, welcher Widerstandsstufen
an einem gewöhnlichen Wendeanlasser schaltet, gänzlich unbestimmt, und der Anlauf
des Motors erfolgt schleppend und langsam und kann dabei andererseits sehr leicht
über das zunächst gewünschte Maß seiner Geschwindigkeit hinauskommen. Da dann noch
die zweite Trägheit, nämlich die Anlaufverzögerung des eigentlichen hydraulilschen
Getriebes hinzukommt, entstehen auch bei reiner Handbetätigung des Steuerhebels
im Einlaufzustand nicht nur sehr lästige Verzögerungen, sondern auch ausgesprochene
Pendelerscheinungen, d. h., der Führer übersteuert in dem Bestreben, die störenden
Trägheiten zu überwinden, sehr leicht die Drehzahleinstellung in der Weise, daß
der Aufzug schneller zu laufen beginnt, als eigentlich beabsichtigt ist.
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Noch viel weniger brauchbar ist die bekannte Einrichtung, wenn der
Aufzug oder, allgemeiner, der Hebezeugantrieb oder das hydraulische Getriebe stillgesetzt
wird und dabei eine bestimmte Stellung der gehobenen Last schnell und sicher erreicht
werden soll. Wesentlich für die Beurteilung ist dabei die Tatsache, daß dies noch
viel weniger möglich ist als bei einem rein elektrischen Aufzug, also etwa einem
Gleichstromnebenschlußmotor, welcher den Aufzug antreibt und durch einen Wendeanlasser
unter Mitwirkung der bei Nullstellung einfallenden Bremse in einer bestimmten Lage
zum Stillstand kommt. Wenn man nämlich bei einem derartigen Aufzug, nachdem er auf
die volle oder gewünschte Geschwindigkeit gebracht wurde, die Widerstandsstufen
wieder einschaltet; so tritt in der Regel eine Verringerung der Geschwindigkeit
ein, und zwar deswegen, weil einerseits die
meisten Aufzüge durch
ein Gegengewicht einigermaßen ausbalanciert sind und andererseits die Reibung des
Seiles und Windwerkes wirksam wird. Man kann daher bei Annäherung an das Ziel durch
Einschalten der Widerstandsstuten bei zutreffender Ausbalancierung des Aufzuges,
insbesondere auch, wenn es sich um Treibscheibenaufzüge mit zwei Förderkörben handelt,
die Geschwindigkeit herabsetzen und ist nur ganz zuletzt, wenn der Aufzug sich langsam
seinem Ziel nähert, genötigt, die Nullstufe und damit die Bremse einzuschalten.
Es ist also damit möglich, (las Ziel, an welchem der Aufzug stehenbleiben soll,
einigermaßen richtig einzusteuern.
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Ganz anders verhält sich jedoch der Gleichstromnebenschlußmotor mit
Wendeanlasser und im Nullpunkt einfallender Bremse, wenn er als Leitmotor für den
Differentialantrieb in bekannter Weise benutzt wird. Untersucht man hier die Kraftverhältnisse,
denen der Leitmotor mit seiner Drehmomententwicklung entsprechen muß, so zeigt sich,
daß bei den meisten hydraulischen Getrieben, wenn sie unter Last arbeiten, zur Zurückführung
des Getriebestellhebels auf kleinere Arbeitsgeschwindigkeiten erhebliche Kräfte
erforderlich sind. Der Getriebestellhebel pflegt daher stehenzubleiben oder sich
nur langsam zu bewegen, wenn man ihn bei fahrendem Aufzug losläßt. Wenn daher bei
einem laufenden Leitmotor mit Wendeanlasser und Differentialantrieb die Widerstandsstufen
eingeschaltet werden, so geschieht überhaupt nichts, da zum Zurückführen des Getriebestellhebels
der Leitmotor ein umgekehrt auftretendes Drehmoment oder ausgesprochene Bremskräfte
an seinem Wellenstumpf enttvickeln müßte. Hierzu ist er aber nicht befähigt, wenn
nur Widerstandsstufen in seinem Ankerkreis eingeschaltet werden. Ein derartiger
Aufzug fährt daher, wenn man bei Annäherung des Förderkorbes an sein Ziel die Widerstandsstufen
wieder einschaltet, mit unverminderter Geschwindigkeit weiter, und erst wenn man
den @`'endeanlasser auf Nu11 stellt und die Bremse einfällt, wird der Leitmotor
stoßartig angehalten. Eine Zieleinstellung für den Aufzugkorb ist also bei dieser
Art des Anhaltens ganz unmöglich.
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Diese bekannte Umsteuereinrichtung, nämlich ein Gleichstrommotor mit
Wendeanlasser und Differentialantrieb sowie im Nullpunkt des Wendeanlassers einfallender
Bremse am Leitmotor isst daher schon bei gewöhnlichen Aufzügen unverwendbar. Noch
weniger ist sie brauchbar, wenn man versucht, sie für Hebezeuge, Kranantriebe und
ähnliche Zwecke anzuwenden, bei welchen ein bestimmtes Gewicht an einem Seil angehoben
werden soll und genau und stoßfrei und dabei möglichst schnell in bestimmte Höhenlagen
im Aufwärts- oder Abwärtssinn gebracht werden soll.
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Erfindungsgemäß wird dieser Mangel dadurch beseitigt, daß man bei
dem an sich bekannten Differentialantrieb eines hydraulischen, vornehmlich für eine
Hebezeuganlage dienenden Antriebes als Leitmotor einen ebenfalls an sich bekannten
elektrischen oder hydraulischen Motor anwendet, bei welchem jeder Lage des Steuerhebels
eine bestimmte Drehgeschwindigkeit im Vor- und Rückwärtssinn zugeordnet ist und
andererseits in der Weise erreicht wird, daß bei jeder Abweichung der Drehzahl des
Leitmotors von ihrem Sollwert sehr starke Drehimpulse auf den Motor ausgeübt werden
in dem Sinne einer schnellen Erreichung dieses Sollwertes. Bleibt man bei der Verwendung
eines Gleichstrommotors mit Nebenschlußerregerwicklung, so wird dies, wie aus dem
Elektromotorenbau bekannt ist, dadurch erreicht, daß man nicht wie bei den bekannten
Anlagen einen Wendeanlasser mit Widerstandsstufen und eine konstante Gleichspannung
zur Speisung des Motorankers über diese Widerstandsstufen anwendet, sondern eine
variable Gleichspannung, an welche der Anker möglichst ohne zusätzliche Widerstände
angeschaltet wird. Dieser Betrieb eines Gleichstrommotors mit Nebenschlußerregung
und variabler Ankerspannung kann dabei nicht nur durch die bekannte Ausführung eines
Leonardgetriebes verwirklicht werden, sondern auch dadurch, daß man dem Anker über
einen Spannungsteiler diese variable Gleichspannung zuführt, also etwa die Schaltung
so wählt, daß bei der Mittellage des Ankers dieser Kurzgeschlossen ist. bei der
Auslegung des Steuerhebels nach der einen oder anderen Seite am Ende des Hubes eine
positive oder negative Gleichspannung an den Anker gelegt wird und in der Zwischenlage
über die Widerstandsstufen als Spannungsteiler die variable Gleichspannung dem Anker
zugeführt wird.
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Die Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. 1 ist ein stetig
regelbares Hydraulisches Getriebe mit durch den Getriebestellhebel 2 einstellbarer
Nullstellung 0, Vorwärtsstellung I' und Rückwärtsstellung R. Zum Antrieb dient beispielsweise
der Drehstrormmotor 3. Es wird die Trommel 4 in Bewegung gesetzt, welche das Gewicht
5 hebt oder senkt. Der Getriebestellhebel 2 ist an eine Spindel 6 aasgelenkt, die
über den Riemen 7 vom Steuermotor 8 angetrieben wird. Die Spindel 6 arbeitet in
einer Wandermutter 9. Diese besitzt außen eine Kegelverzahnung und steht mit dem
Kegelrad 10 im Eingriff. Der Riemen 11 verbindet die Welle des Kegelrades 10 mit
der Sekundärwelle. Beginnt sich diese nach Stillsetzung des Elektromotors 8 zu drehen,
so wird bei richtiger Wahl des Sinnes der Drehbewegung der Mutter 9 der Getriebestellhebel
2 mit Sicherheit zum Nullpunkt gebracht und nach Bedarf darüber hinaus, wenn die
Größe des Gewichtes 5 zur dauernden Aufrechterhaltung des entsprechenden Drehmomentes
an der Sekundärwelle dies erfordert.
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Durch den Umschalter 14 kann in der gezeichneten Anordnung der Anker
entweder kurzgeschlossen oder an eine positive oder negative Gleichspannung geschaltet
werden. Dabei ist es auch in bekannter Weise möglich, diesen Anlaßwiderstand zur
Speisung des Ankers mit variabler Spannung zu benutzen und verschiedene Arbeitsgeschwindigkeiten
des Leitmotors und damit auch der Sekundärwelle des Regelgetriebes zu erzielen.
Auch wenn hierbei der Anker des Motors sehr schnell beschleunigt oder verzögert
wird, wozu man nur den Umschalter 14 rasch zu betätigen hat, wird eine stofffreie
Inbetriebsetzung des Hebezeuges oder Bremsung erreicht, da das Differentialgetriebe
eilte exponentiell verlaufende Bewegung des Hauptantriebes bewirkt, wobei man durch
Wahl der Übersetzungsverhältnisse die Zeitkonstanten dieser Exponentialkurve willkürlich,
z. B. in der Größe von 1 Sekunde, wählen kann.
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Wird andererseits der Steuermotor 8 nicht mit dem Höchstwert der verfügbaren.
sondern einer variablen Gleichspannung betrieben, so lassen sich damit in kürzester
Zeit verschiedene Drehgeschwindigkeiten an der Sekundärwelle erzielen, die dann
nicht mehr von den ungewollten Veränderungen der mechanischen Belastung des Leitmotors
abhängig sind. Die Änderung der Arbeitsgeschwindigkeiten läßt sich ohne Schwierigkeiten
vornehmen, denn im allgemeinen wird man die Höchstgeschwindigkeit des Steuermotors
8 zusammen mit den Übersetzungsteilen, wie Riemenantrieb 7, Spindel 6 usw., so wählen,
daß bei seiner Höchstgeschwindigkeit
der Getriebestellhebel 2 gerade
an oder in die Nähe der Anschläge 12 und 13 bewegt wird. Bei Verringerung der Drehgeschwindigkeit
des Steuermotors wird dann der Getriebestellhebel 2 eine Stellung zwischen den Anschlägen
und der Nullage annehmen. Den Bedingungen eines schnellen Anlaufes auf von der Lage
des Steuerhebels bestimmte Drehgeschwindigkeiten entspricht aber auch ein hydraulischer
Leitmotor, wobei man diesem durch bekannte Ventile oder Schieber oder in anderer
Weise einen entsprechenden Ölstrom zuführt. Hiermit läßt sich, wenn der verfügbare
Öldruck und die Größe des Steuermotors entsprechend gewählt werden, auch die gewünschte
Drehzahleinstellung in einfacher und sicherer Weise erreichen, und die geringe Masse
eines hydraulischen Motors gestattet es dabei, diesen außerordentlich schnell auf
die gewünschte Geschwindigkeit zu bringen. Sehr vorteilhaft kann es dabei sein,
hydraulische Leitmotorantriebe dieser Art hintereinanderzuschalten, wie dies in
Abb. 2 unter Verwendung derselben oder analoger Bestimmungszeichen dargestellt ist.
Hiermit wird die Leistung des Steuermotors verringert, und ein kleiner Leitmotor
elektrischer oder hydraulischer Art läßt sich schneller umstellen als ein größerer,
so daß sich die in Abb. 2 gezeichnete Anordnung in vielen Fällen als vorteilhaft
erweist.
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In den Abb. 1 und 2 ist ein Spindelantrieb mit einer drehbaren Wandermutter
gezeichnet. Dieser Antrieb kann auch durch ein Differentialgetriebe ersetzt werden,
wie es in Abb. 3 dargestellt ist. Hierbei betätigt der Steuermotor 8 den Wellenstumpf
15 des Differentialgetriebes 16, das mit seinen anderen beiden Wellenstümpfen einerseits
mit der Sekundärwelle, andererseits mit der Wandermutter 9 auf der Spindel 6 verbunden
ist, welche den Getriebestellhebel 2 betätigt. Wie man sieht, ist diese Einrichtung
mit Differentialgetriebe in ihrer Wirkung und Beschaffenheit genauso wie die in
Abb. 1 und 2 gezeigte.
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Dem Steuermotor, welcher in erfindungsgemäßer Weise mit seiner Drehzahl
beinahe unverzögert der jeweiligen Stellung des Steuerhebels folgt, kann dabei in
an sich bekannter Weise auch noch eine in der Nulllage wirkende Bremsvorrichtung
hinzugefügt werden, die den ganzen Antrieb sicher und zuverlässig festhält und noch
über das Verzögerungsvermögen des Steuermotors hinaus eine beschleunigte Stillsetzung
gestattet. Wesentlich ist jedoch ein Steuermotor elektrischer oder hydraulischer
Art, welcher jeder Einstellung des Steuerhebels entsprechend eine ganz bestimmte
Drehzahl einnimmt, und zwar in der Regel so, daß diese von kleinen Werten aus aufwärts
geregelt werden kann, und zwar ganz oder möglichst stufenfrei. Dadurch, daß bei
jeder Stellung des Steuerhebels, wenn dieser eine variable Gleichspannung auf den
Anker eines Gleichstrommotors aufdrückt, starke elektromagnetische Kräfte den Anker
zwingen, mit geringster Verzögerung die dem elektromagnetischen Gleichgewichtszustand
entsprechende Sollgeschwindigkeit anzunehmen, wird eine sehr gute Steuerfähigkeit
des Antriebes erzielt und eine genaue und schnelle Einstellung der Last erreicht,
so daß dieser Antrieb im Gegensatz zur Wendeanlassersteuerung eines Leitmotors für
schnell wirkende Kranantriebe geeignet wird. Damit wird auch beim hydraulischen
Kranantrieb, der sonst wegen der Erscheinungen des variablen Schupfes seiner hydraulischen
Einrichtung für eine genaue Steuerung unbrauchbar ist, die Eigenschaft erreicht,
daß er sich schnell auf ein bestimmtes Ziel einsteuern läßt, da man sich diesem
auch langsam und schleichend nähern kann. Andererseits ist man völlig sicher, daß
bei Nullstellung des Steuerhebels der hydraulische Antrieb nicht etwa auf- oder
abwärts zu schleichen beginnt, wie dies bei einem gewöhnlichen hydraulischen Antrieb
der Fall ist.
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Dadurch, daß die Stellung des Steuerhebels die variable Gleichspannung
in feingestufter oder auch in kontinuierlicher Weise auf die Ankerklemmen aufbringt,
läßt sich eine überaus starke Beschleunigung des Motorankers erzielen, ohne daß
dieser etwa hierdurch Schaden nimmt; und gleichzeitig wird auch der Anlaufvorgang
damit unabhängig gemacht von den üblichen Veränderungen der Stellkräfte in dem Stellzeug
der hydraulischen Getriebe. Man erhält damit bei dem hydraulischen Hebezeugantrieb
dasselbe vorzügliche Verhalten, wie man dies mit dem Leonardantrieb oder auch mit
einem gittergesteuerten Gleichrichterantrieb mit Gleichstromelektromotor für diese
Zwecke verwirklicht hat.
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Ein elektromagnetischer Gleichgewichtszustand zwischen der Ankerdrehzahl
und den Belastungskräften am Ankerwellenstumpf wird bekanntermaßen auch bei einem
Drehstrommotor erreicht. Jedoch ist hier eine stufenlose Drehzahleinstellung nur
möglich, wenn man etwa variable Frequenzen zur Verfügung hat, was in der Regel nicht
der Fall ist. Mit den sogenannten Stoppmotoren ist aber auch ein Mittel zur Verwirklichung
der Erfindung vorhanden. Denn das schnelle Hin- und Herpendeln zwischen zwei Drehzahlzuständen,
welches dem Stoppmotor eigen ist, ergibt auch eine kurzfristig realisierbare willkürliche
Drehzahlwahl. Die schnellen Drehzahländerungen werden dabei durch die Wirkung des
Differentialgetriebes so vergleichmäßigt, daß keine Stöße am Hauptantrieb auftreten.
Daher ist auch der Stoppmotor bekannter Art als eine geeignete Realisierung der
vorliegenden Erfindung zu betrachten.
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Hydraulische Motoren, auch solche mit Schiebersteuerung, lassen sich
in bekannter Weise so ausführen, daß sie bestimmte, der Stellung des Steuerorgans
zugeordnete Drehzahlwerte einzustellen gestatten und diese auch sehr schnell erreichen,
um so mehr, als die Masse der hydraulischen Motoren besonders gering ist. Der hydraulische
Motor ist daher ebenfalls ein Steuermotor, welcher den Bedingungen der vorliegenden
Erfindung entspricht und eine schnelle und genaue Betätigung eines hydraulischen
Hebezeuges, ähnlich wie bei einem Leonardantrieb, gestattet.
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Die Einzelheiten der gezeichneten Konstruktion sind für die Erfindung
unwesentlich. Wichtig ist die Wahl eines schnell umsteuerbaren elektrischen oder
hydraulischen Motors zur Betätigung des an sich bekannten Differentialsteuerantriebes
eines hydraulischen Getriebes in der Weise, daß jeder Stellung des Steuerhebels
bestimmte Drehgeschwindigkeiten des Leitmotors zugeordnet sind und dieser durch
starke elektromagnetische oder hydraulische Kraftentwicklung seine Solldrehzahl
mit geringer Verzögerung annimmt.
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Bei der Beschreibung der Erfindung wurden mechanische Gestänge und
mechanische Differentialgetriebe angenommen. Es ist nun möglich, mechanische Gestänge
durch hydraulische zu ersetzen, d. h. durch eine zwischen zwei dichten Kolben, den
dazugehörigen Zylindern und Rohrleitungen eingeschlossene Ölmenge. Ein solches hydraulisches
Gestänge kann auch durch rotierende Ölpumpen oder hydrostatische Getriebeteile bekannter
Art ersetzt werden, wenn diese in gut dichtender Ausführung gewählt werden. Ebenso
läßt sich auch das mechanische Differentialgetriebe
durch die analoge
hydraulische Einrichtung ersetzen, das ist eine zwischen drei zusammengeschalteten
Kolben eingeschlossene Ölmenge, bei welcher die Stellung jedes Kolbens von der Summe
bzw. Differenz der Stellung der anderen abhängt, ähnlich wie beim mechanischen Differentialgetriebe
die Drehwinkeleinstellung jeder Welle von jeder der beiden anderen. Daß hierbei
im Hinblick auf die verschiedenen Kolbendurchmesser noch Übersetzungszahlen zu berücksichtigen
sind, sei nur nebenbei erwähnt. Auch hier lassen sich die einfachen Kolben durch
rotierende Kolbenmaschinen bzw. 'hydrostatische Getriebeteile ersetzen, wodurch
eine äußere Ähnlichkeit mit dem mechanischen Differentialgetriebe mit seinen drei
rotierbaren Wellen erzielt wird.