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Vorrichtung zum Steuern von hydraulischen Antrieben, insbesondere
zur selbsttätigen Regelung der Steuerung von Warenbahnen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Steuern von hydraulischen Antrieben, die insbesondere zur selbsttätigen
Regelung der Steuerung von Warenbahnen dienen soll.
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Für die Steuervorrichtungen von hydraulischen Antrieben, insbesondere
solchen zum angegebenen Zweck, ist wesentlich, daß die Vorrichtung eine hohe Betriebssicherheit
aufweist, außerdem der Nachteil einer hohen Warenbahnbelastung, die eine mehr oder
minder große Längung der Warenbahn nach sich zieht, vermieden wird und daß letztlich
eine Geschwindigkeitspendelung, d. h. ein Pendeln zwischen zwei Geschwindigkeitswerten,
vermieden wird. Mag der Pendelbereich auch klein sein bei bisher bekannten Vorrichtungen,
so ist er doch insbesondere bei der Steuerung von Warenbahngeschwindigkeiten, z.
B. auf dem Textilsektor, abträglich.
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Zur Lösung von Antriebsproblemen bedient man sich in zunehmendem Maße
stufenlos regelbarer Flüssigkeitsgetriebe, bei denen das Gehäuse einer als Pumpe
dienenden Vorrichtung und das Gehäuse einer als Motor dienenden Vorrichtung verstellbar
sind. Zur Verstellung dieser Gehäuse ist es bekannt, sich kleiner Elektromotoren
zu bedienen. Des weiteren ist es bekannt, mittels eines gemeinsamen Stellgliedes
die Verstellung von Pumpe und Motor vorzunehmen. Hierbei wirkt das Stellglied derart
auf die Gehäuse, daß zur Erreichung einer niedrigen Drehzahl der anzutreibenden
Welle der Hub der Pumpe bei vollgeöffnetem Motor und für höhere Drehzahlen der Hub
des Motors bei voll geöffneter Pumpe verändert wird. Des weiteren ist es bekannt,
die Verstellung des Pumpen- oder Motorgehäuses durch zwei zweiseitig beaufschlagte
Kolben vorzunehmen. Diese Kolben werden zum Einrücken und Hochfahren des Getriebes
bzw. zur Drehzahlregelung über Steuerschieber getrennt voneinander beaufschlagt,
während zum Stillsetzer beide Kolben hydraulisch gekuppelt und gemeinsam verstellt
werden. Die hierbei zur Anwendung gelangenden Schieber werden von Hand mittels zweier
Hebel in die gewünschte Stellung gebracht.
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Auch ist eine Verstellmöglichkeit eines Gehäuses bekannt, bei der
ein für den Motor und die Pumpe gemeinsames Gehäuse über ein mechanisches Verstellmittel,
z. B. Stangen, verstellbar ist.
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Bei einem stufenlos veränderlichen Kraftübertragungsgetriebe, das
insbesondere bei Wickelmaschinen Anwendung finden soll, ist es bekannt, die am Umfang
der Wickelvorrichtung anliegende Führerwalze in Verbindung mit einem federbelasteten
Steuerventil zu bringen. Diese Steuereinrichtungen werden als Initialsteuerglieder
für Gleichlaufregelungen allgemein angewendet. Des weiteren ist eine Steuervorrichtung
elektrohydraulischer Art für hydraulische Aufzüge oder Lastenheber bekannt, bei
der ein Verstärkerventil Anwendung findet, wodurch eine Übersetzung der Verstellkraft
vorgenommen werden soll.
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Es ist außerdem bekannt, das Pumpengehäuse bei einem stufenlosen,
hydraulischen Getriebe durch zwei hydraulisch betätigte Kolben zu verstellen, während
der Motor selbst keine Verstellung erfährt.
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Letztlich ist eine Verstellmöglichkeit eines Pumpen-oder Motorgehäuses
bekannt, bei der eine Federkraft eine Veränderung der Fördermenge der Pumpe bewirkt
und somit die Antriebsdrehzahl beeinflußt. Bei dieser Vorrichtung muß die Feder
mindestens so schwach sein, daß sich das Pumpengehäuse bei Überschreiten eines höchstzulässigen
Öldrucks von selbst in Richtung kleinerer Exzentrizität verschiebt und dadurch eine
vom Drehmoment abhängige, geringe Fördermenge und Antriebsdrehzahl des Ölmotors
herbeiführt. Zur Steuerung von Warenbahnen, insbesondere von Textilwarenbahnen,
verändert sich beim Anlaufen der Maschine, beim Einlaufen von Nahtstellen und beim
Bremsen das Drehmoment. Die Antriebsdrehzahl darf jedoch in einem solchen Falle
nicht abhängig sein vom Drehmoment.
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Steuern von hydraulischen
Antrieben, bei der die Gehäuse von Pumpe und Motor unter Wirkung einer hydraulischen
Verstelleinrichtung stehen und beim Beschleunigen und Bremsen zeitlich hintereinander
bzw. voreinander verschoben werden, aus und schlägt vor, die Gehäuse der Pumpe und
des Motors jedes mit einem Kolben oder einer Membran zu verbinden und diese beiden
Membranen einerseits gleichzeitig von einem hydraulischen Steuermedium in einer
gemeinsamen Druckkammer, andererseits von ungleich starken Federn zu beaufschlagen,
die das Pumpengehäuse in die Lage »ohne Fördermenge« und das Motorgehäuse in
die
Lage »größte Schluckmenge« drücken. -Hierbei ist bei gleicher Fläche der Membranen
die auf das Motorgehäuse wirkende Feder stärker als die auf das Pumpengehäuse wirkende
Feder.
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Bei der praktischen Ausführungsform dient zum Steuern des Zu- und
Abflusses des Steuermediums in die bzw. aus der Druckkammer ein Doppelventil, das
von einem Kipphebel und einem Steuerhebel betätigt wird, dessen gelenkige Aufhängung
sich bei einer Drehzahländerung des Getriebes verlagert. Hierdurch wird auf den
Zufluß bzw. Abfluß des Steuermediums nicht nur durch die Lage der mit der Warenbahn
in Berührung stehenden Tänzerwalze Einfluß genommen, sondern auch durch die gelenkige
Aufhängung des Steuerhebels, die in Abhängigkeit von der Drehzahländerung des Getriebes
steht. Das Doppelventil steht, wie ausgeführt, über den steuernden Hebel mit einer
die Warenbahn abtastenden Vorrichtung, z. B. einem Tänzer in Verbindung.
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Die gelenkige Aufhängung des Steuerhebels ist derart angeordnet, daß
sie unter der Wirkung des in der Druckkammer befindlichen Steuermediums steht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt.
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Der Elektromotor 1 treibt über eine Kupplung 2 den mit Schiebern versehenen
Rotor 3 der Ölpumpe, während der Rotor 4 des Ölmotors über eine Kupplung 5 eine
als Walzenpaar 6 symbolisch gezeichnete Arbeitsmaschine antreibt: Das Pumpengehäuse
7 ist mittels des Zapfens 8 durch das Getriebegehäuse 9 und Steuergehäuse 10 hindurch
mit der Membran, 11 verbunden. Das Ölmotorgehäuse 12 ist durch den Zapfen 13 mit
der Membran 14 verbunden. Durch die Federn 15 und 16, welche um die Zapfen 8 und
13 unter Spannung zwischen Gehäuse 9 und den. Membranen 11 und 14 angeordnet sind,
wird das Ölpumpengehäuse 7 in Stellung »Fördermenge Null« und das Ölmotorgehäuse
12 in Stellung »größte Schluckmenge« gehalten. Die Membranen werden durch den Steuergehäusedeckel
17 dicht zwischen diesem und dem Steuergehäuse 10 gehalten. Auf den Gehäusedeckel
17 ist ein Doppelventil 18, 19 angebracht. Durch das Ventil 18 kann Flüssigkeit
unter Druck, z. B. Wasser, aus der Versorgungsleitung in die Kammer 20 zwischen
Gehäusedeckel 17 und die Membranen 11 und 14 und durch .das Ventil 19 aus der Kammer
20 in den Abfluß geleitet werden.
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Der Steuervorgang sei nun mit Werten erläutert, die nur zur besseren
Anschauung als Beispiel gegeben werden. Die Ventile 18 und 19 sind zunächst geschlossen.
das Getriebe befindet sich in Nullstellung, der tote Raum der Kammer 20 ist mit
Wasser ausgefüllt. Das Ventil 18 wird geöffnet, und es fließt Wasser aus dem Netz
mit 3 bis 4 atü Gesamtdruck in die Kammer 20. Die Feder 15 ist so vorgespannt, daß
sie einem Druck von 1 atü in der Kammer 20 bei Nullage und 1,5 atü bei Maximallage
des Pumpengehäuses 7 entspricht. Die Feder 16 ist so vorgespannt, daß sie einem
Druck von 1,5 atü in Minimal- und 2 atü in Maximallage des Motorgehäuses 12 entspricht.
Nimmt man nun gleiche Verstellkraft für beide Gehäuse 7 und, 12, so wird bei offenem
Ventil 18 der steigende Wasserdruck stets das Pumpengehäuse 7 zuerst und danach
das Motorgehäuse 12 verschieben. Das Getriebe läuft in seiner günstigen Drehmomentkennlinie
hoch. Danach. wird Ventil 18 geschlossen und Ventil 19 geöffnet. Es ist einzusehen,
daß zuerst die stärker gespannte Feder 16 entlastet und .dann erst die Fedes 15
entlastet wird und daß beide Federn 15 und 16 über die Membranen 11 und 14 das Wasser
aus der Kammer 20 durch das Ventil 19 in den Abfluß drücken, wobei die Gehäuse
7 und 12 wieder in ihre Ruhelage verschoben werden und das Getriebe auf der günstigen
Kennlinie angehalten wird. Bei Schließung der Ventile 18 und 19 wird dann jede erreichte
Zwischenstellung und Geschwindigkeit eingehalten. Die Ventile 18 und 19 müssen jedoch
an der höchsten Stelle des Gehäusedeckels 17 angeordnet werden, damit sich die Kammer
20 selbst entlüftet, da Luftpolster infolge ihrer Elastizität ein verzögertes Nachschieben
der Gehäuse 7 und 12 verursachen können.
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Die vorgenannten Druckangaben ergeben einen kleinsten Druckunterschied
von 1 at, bei dem die Verstellung der Gehäuse noch gewährleistet sein muß. Beträgt
beispielsweise die maximale Gehäuseverstellkraft bei schneller und unter Last erfolgender
Steuerung eines 10-PS-Getriebes 100 kg, so kann diese Kraft bereits von einer Membran
mit nur 120 mm wirksamem Durchmesser erzielt werden. Die Membranen sind klein genug,
um sich größenmäßig dem Getriebe anzupassen. Der notwendige Hub, bei dem vorgenannten
Beispiel etwa 8 mm, und die Druckbelastung wird von Membranen aus gummiartigen Kunststoffen
beherrscht, so daß die Membranen gegenüber anderen Bewegungselementen die Vorteile,
wie geringe Kosten. Wartungsfreiheit und lange Lebensdauer, gegenüber anderen hydraulischen
Elementen, wie z. B. Kolben mit Manschetten in Zylindern, neben den aufgezählten
Vorteilen noch den der absoluten Dichtheit besitzen.
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Die Abtriebsdrehzahl des Getriebes ist von Druck und Menge der Flüssigkeit
in der Kammer 20 abhängig. Während sich der Druck durch die Federn 15 und 16 von
selbst einstellt, wird die Menge der Flüssigkeit je nach Betätigen der Ventile 18
und 19 bestimmt.
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Die Ventilbetätigung bei der selbsttätigen Regelung zur geschwindigkeitsgleichen
Förderung einer Warenbahn geht ebenfalls aus der Zeichnung hervor. Die Ventile 18
und 19 benötigen in druckentlasteter Ausführung mit Doppelsitz nur schwache Federn
21 an ihren Stößeln, um selbsttätig zu schließen. Über den Ventilen 18 und 19 befindet
sich ein waageähnlicher, um die Achse, 22 schwenkender Kipphebel 23, mit dem jeweils
nur eines der beiden Ventile 18 und 19 betätigt werden kann und der durch eine Feder
24 so vorgespannt ist, daß die Kraft einer Feder 21 überwunden wird. Das Ventil
19 stellt so in Ruhestellung eine Verbindung der Kammer 20 mit dem Abfluß und damit
den Stillstand des Getriebes her. In dem Ventilgehäuse ist ein Metallbalg 25 angebracht,
dessen Innenraum über eine Drossel 26 mit .der Steuerkammer 20 in Verbindung steht.
Auf dem Metallbalg 25 ist eine Umfassung 27 angebracht, welche eine Feder 28 aufnimmt,
die den Metallbalg25 auf kleine Höhe drückt. In der Umfassung 27 mit dem Gelenkbolzen29
ist ein Steuerhebel 30 gelagert, der auf einer Seite durch ein Gabelgelenk 31 mit
dem Kipphebel 23, auf der anderen Seite mit dem Arm 32 einer Tänzerwalze 33 durch
einen Bowdenzug 34 verbunden ist. Die auf der Achse 35
schwenkend gelagerte
Tänzerwalze 33 läßt sich durch ein verschiebbares Gegengewicht 36 je nach
gewünschter Warenspannung mehr oder weniger ausbalancieren.
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Wird nun die Warenbahn 37 über die Führungswalze 38 und die Tänzerwalze
33 von einer nachgeschalteten, die Führung übernehmenden Arbeitsmaschine, die durch
das Walzenpaar 39 symbolisch dargestellt ist, angezogen, so hebt sich die Tänzerwalze
33 schnell. Bei zunächst starr angenommenem Gelenkbolzen29 schließt Ventil19 und
öffnet Ventil
18 weit, so daß das Getriebe schnell und mit ihm die
geregelte Maschine, durch die Förderwalzen 6 symbolisch dargestellt, anläuft und
die Warenbahn 37 fördert. Da die Tänzerwalze 33 sich erst wieder senkt, wenn die
Fördergeschwindigkeit größer als die der Führungsmaschine 39 geworden ist, und sich
der Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt, pendelt die Tänzerwalze 33 zunächst
um die gezeichnete Normalstellung.
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Für die tatsächliche Wirkungsweise muß die Höhenverschiebung des Gelenkbolzens
29 berücksichtigt werden. Während das Ventil 18 geöffnet ist, steigt auch in dem
Metallbelag 25 der Druck, der sich unter Zusammendrückung der Feder 28 ausdehnt
und dabei den Gelenkbolzen 29 höher verlegt. Hierdurch wird jeweils die Sollstellung
der Tänzerwalze 33 in Richtung ihres letzten Ausschlages verschoben. Zu der Stelle,
wo die Tänzerwalze 33 zum Pendeln in die entgegengesetzte Richtung ansetzen will,
wird ihre Sollstellung zurückgeführt und damit der Gleichlauf ohne Pendeln der Tänzerwalze
33 erreicht.
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Diese Wirkung wird nur dann genau erreicht, wenn die Höhenlage des
Gelenkbolzens 29, d. h. der Druck im Metallbalg 25, ein Maß für die Drehzahl .des
Getriebes ist. Bei geschlossenen Ventilen 18, 19 ist dies der Fall, bei geöffnetem
Ventil 18 ist der Druck in der Steuerkammer 20 stets um den die Verschiebekraft
hervorrufenden Überdruck höher, bei geöffnetem Ventil 19 um den Verschiebedruck
kleiner. Diese kurzzeitigen Druckschwankungen können dem Metallbalg 25 durch die
Drossel 26 ferngehalten werden.
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Ist die Drossel 26 zu groß eingestellt, so macht sich im Metallbalg
25 auch noch ein Teil des Verschiebedruckes bemerkbar, und die Verschiebung des
Gelenkbolzens 29 erfolgt zu früh und zu weit, so daß sich der Ausschlag der Tänzerwalze
33 vergrößert und die Regelung verzögert wird. Diese Wirkung wird dadurch gemildert,
daß sich in dem Metallbalg 25 7.B. bei einer Beschleunigung durch den zu
hohen Druck ein Volumenüberschuß angesammelt hat, der nun nach Zurückströmen in
die Steuerkammer 20 zu einer verzögerten Geschwindigkeitserhöhung führen kann. Ist
die Drossel 26 zu klein eingestellt, so dringt Druckflüssigkeit verzögert
in den Metallbalg 25 ein, verzögert die Verschiebung des Gelenkbolzens 29 und damit
das Abfangen der Pendelung im richtigen Augenblick. So führt die Tänzerwalze 33
nach jeder Drehzahländerung der Führungsmaschine 39 den Gleichlauf mit einer gedämpften.
Schwingung herbei. Bei richtiger Einstellung der Drossel 29 folgt die geregelte
Maschine 6 der Führungsmaschine 39 schnell und ruhig. Der Metallbalg 25 und die
Feder 28 sind im Verhältnis zur Verstellkraft des Steuerhebels 30 groß und stark
bemessen, so daß durch die Verstell kraft praktisch keine Verschiebung des Gelenkbolzens
29 hervorgerufen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt neben guten Regeleigenschaften
weitere Vorteile. Der Kraftbedarf für die Ventilbetätigung ist so gering, daß die
Belastung der Warenbahn durch die Regelkraft die gewünschte Spannung für den Transport
nicht mehr überschreitet. Die Regelung erfolgt so schnell, daß nur ein kleiner Warenspeicher,
d. h. geringe Hübe der Tänzerwalze 33 nötig sind. Beide Vorteile zusammen lassen
erkennen, daß die Tänzerwalze in vielen Fällen nur noch als Stange unter der Warenbahn
unter Fortfall der Umführungswalzen 38 ausgebildet zu werden braucht. Der Aufwand
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist noch größer als derjenige der heute üblichen
Zentralsteuerungen mit Kurvenscheiben, es wird deshalb der Getriebemotor der Fernsteuerung
gespart, und die Tänzereinrichtung erfordert wegen bedeutender Vereinfachung nur
noch einen Bruchteil der Kosten.
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Die Erfindung erschließt dem hydraulischen Getriebe Anwendungsbereiche,
die bisher Leonardantrieben vorbehalten waren. Die Vorrichtung erlaubt es, eine
beliebige Anzahl mit ihr versehener, hydraulischer Antriebe und dazugehörige Maschinen
an eine Führungsmaschine anzuschließen, ganz gleich, ob die Führungsmaschine am
Anfang, innerhalb oder am Ende der Maschinenreihe steht, diese Eigenschaft geht
aus der Zeichnung hervor. Kehrt man die Laufrichtung der Warenbahn, 37 um, so braucht
man nur den Anschluß des Bowdenzuges 34 von der Tänzerwalzenseite auf die Gewichtsseite
.des Armes 32 zu legen, um die Regelfunktion wiederherzustellen.
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Beim Vergleich mit Leonardantrieben bleibt den erfindungsgemäß gesteuerten,
hydraulischen Antrieben der Vorteil universeller Anwendung. Bei Lösung des Bowdenzuges
34 vorn Hebel 30 läßt sieh die Maschine 6 nach unabhängiger Handregelung fahren.
Ist in einem Betrieb eine Anzahl von Maschinen mit erfindungsgemäß gesteuerten,
hydraulischen Antrieben ausgerüstet, so lassen sie sich kurzfristig zu Fließbehandlungsstraßen
zusammenfassen. Dies ist besonders für die Textilausrüstung von Bedeutung.
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Die erfindungsgemäße Steuerung läßt sich auch dann anwenden, wenn
hydraulische Getriebe in geteilter Form für einen Reihenantrieb einer Maschine eingesetzt
werden. Hierbei steht der elektrische Antriebsmotor für die gesamte Maschine mit
einer Ölpumpe für sich, und das Drucköl wird einer Reihe von Ölmotoren zugeführt.
Durch Verschieben des Ölpumpengehäuses wird die Grunddrehzahl der gesamten Maschine
geregelt, während alle Ölmotoren mit Ausnahme eines Führungsmotors von Tänzerwalzen
durch die erfindungsgemäße Steuerung in diesem Fall mit nur einer Membran gesteuert
werden. Bei dieser Antriebsart werden die Ölmotorgehäuse nur durch Förderlängenunterschiede,
gleichgültig ob sie aus verschiedenen Geschwindigkeiten oder eingetretener Längenänderung
beim Durchlauf ,der Maschine hervorgerufen werden, verschoben, so daß auch das Anfahren
und Anhalten weder eine Verstellung der Olmotorgehäuse noch der Tänzerwalzen verursacht.
In diesem Falle kann der Hub der Tänzerwalzen bei kleinen Ventilen auf Kleinstmaße
beschränkt werden, oder die Tänzerwalzen können überhaupt, beispielsweise durch
pneumatische Abtastung und pneumatische Betätigung der Ventile, ersetzt werden.
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Fachlich läßt sich die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Proportional-Integral-Regler vergleichen. Die Vorrichtung erfüllt damit
vom Standpunkt der Regeltechnik .die höchsten Ansprüche, und es ist deshalb verständlich,
daß sich die erfindungsgemäße Steuerung außer für Förderregelungen, wie sie Abwicklungen,
Übernahme von Maschine zu Maschine und Aufwicklungen .darstellen, auch für die Lösung
anderer, schwieriger Regelaufgaben der Antriebstechnik sehr gut eignet. Die Vorrichtung
läßt sich in verschiedener Form abwandeln, die Ventile lassen sich durch Schieber,
die in besonderen Fällen elektromagnetisch. oder pneumatisch betätigt werden, ersetzen.
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Ferner kann man .die Ventile von dem Getriebe trennen, es lassen sich
auch zwei oder mehr Satz Ventile auf eine Steuerung schalten., wovon je nach Umschaltung
nur ein Satz auf die selbsttätige Regelung wirkt. Während in der Papier- und Textilindustrie
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großer Teil Naßbehandlungsmaschinen sind, so daß Wasser schon unter Druckaus dem
Netz vorhanden ist und deshalb das gegebene Steuermittel ist, kann in anderen Fällen
Drucköl der Arbeitsmaschine als Steuermittel verwendet werden.