DE1133196B - Hydraulische Steuerung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

I17381Xn/47g

ANMELDETAG: 16. DEZEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. JULI 1962

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuerung mit einem Steuerschieber, dessen Betätigung durch wechselnden Druck auf eine der Stirnflächen des Steuerschiebers durch einen Hüfsschieber steuerbar ist, dessen Umsteuerbewegung durch einen elektrisehen Impuls auslösbar ist.

Bei derartigen Einrichtungen zur Umsteuerung eines hydraulischen Druckmittels ist es erforderlich, daß die Baueinheiten einfach herstellbar sind und die Strömungsvorgänge verlustarm ablaufen, also mögliehst wenig Reibungsverluste und keine Leckverluste auftreten. Weiterhin ist von Bedeutung, daß die Umsteuervorgänge mit möglichst geringer Schaltenergie ausgeführt werden können. Auf speziellen Anwendungsgebieten, z. B. elektronischen Rechenmaschinen, in denen zur Steuerung mechanischer Bewegungen hydraulisch arbeitende Vorrichtungen verwendet werden, ist außerdem von großer Wichtigkeit, daß die eingesetzten Steuerorgane gerimgstmögliche Schaltzeiten aufweisen.

Es ist eine Steuerung bekannt, bei der die Umsteuerung des Steuerschiebers durch einen Hilfsschieber erfolgt, dessen Verstellung und Rückstellung entgegen der Kraft einer Schraubenfeder durch je einen Elektromagneten bewirkt wird, so daß je ein entsprechend dimensionierter Elektromagnet notwendig ist, dessen Ansprechzeit die Schaltzeit des Ventils ungünstig beeinflußt.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zum Umsteuern eines Druckmittels in zwei Druckleitungen betätigt ein von zwei Elektromagneten hin- und herbewegbarer Steuerschieber mittels Umsteuerung des Druckmittels zwei Differentialkolbenschieber, die ihrerseits das Druckmittel in die beiden getrennten Druckleitungen steuern. Auch in dieser Vorrichtung sind, obwohl die Überwindung der Reaktionskraft einer Feder vermieden ist, verhältnismäßig kräftige Elektromagneten notwendig, um den Steuerschieber zu verstellen, so daß die zum Aufbau des magnetischen Feldes in den Elektromagneten erforderliche Zeit sich ungünstig auf die erreichbare Schaltgeschwindigkeit auswirkt.

Eine Servosteuerung des Hilfsschiebers durch mittels eines gesonderten Druckmittelkreises zugefüihrte Schaltenergie, wie sie in der erfindungsgemäßen Einrichtung angewendet wird, ist durch eine weitere Ausführung bekannt, in der jedoch bei der elektromagnetisch ausgelösten Umsteuerung zusätzlich der Widerstand von Federmembranen überwunden werden muß, die die Rückstellung des Hilfsschiebers bewirken. Auch diese bekannte Bauart erfordert erhöhte Schaltleistung der Magneten und weist daher eben-Hydraulische Steuerung

Anmelder:

International Business Machines

Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,
Böblingen (Württ), Bahnhofstr. 14

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1958 (Nr. 781123)

Hugo A. Panissidi, Peekskill, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

falls, wenn auch bereits in verringertem Maße, die vor her genannten Nachteile auf.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde ein Steuerschieber mit einem Haupt- und einem Hiüfsschieberkolben sowie einem elektromagnetischen Hilfsventil vorgeschlagen, der, nach dem Prinzip der Servosteuerung arbeitend, jedoch einen teuren und komplizierten Aufbau aufweist, demzufolge durch die langen Druckmittelwege sowie den großen Schaltweg des Hilfsschiebers erhebliche Druckverluste und erhöhte Schaltzeiten auftreten. Die Beaufschlagung des Steuerschiebers und des Hilfsschiebers erfolgt durch das zu steuernde Druckmittel, so daß die Bemessung aller Teile und Leitungen dem vorhandenen Betriebsdruck angepaßt sein müssen.

Die genannten Nachteile werden gemäß der Erfindung vermieden, indem der durch einen Druckmittelkreislauf in Mittellage gehaltene Hilfsschieber durch impülsausgelöste, auf seine Stirnflächen wirksame Volumenänderung zweier Druckkammern eine seine Umsteuerung einleitende Bewegung erhält, durch die der Druckmittelkreislauf durch einen Mittelteil des Hilfsschiebers zu dessen Betätigung auf die Druckkammern geschaltet wird. Dadurch werden mit einem Minimum an Schaltenergie und bei einfacher Bauart sehr geringe Schaltzeiten erzielt.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der hydraulischen Steuerung nach der Erfindung sind

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Steuerschieber und Hilfsschieber durch das Druckmittel so gekoppelt, daß der Hilfsschieber nach Erreichen seiner Endlage mittels des von den Druckkammern des Steuerschiebers zu den Druckkammern des Hilfsschiebers zurückgeleiteten Druckmittels sofort und selbsttätig zurückgestellt wird und somit bereits für den nächsten Umsteuervorgang bereitsteht. Dabei sind gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens Hilfsschieber und Steuerschieber so

bei Durchgang von elektrischem Strom ihre Längenabmessung ändern.

Zur Auslösung einer Verstellung des Hilfsschiebers 10 ist es nur notwendig, daß die Störungsmittel 14L 5 und 142? zu einer sehr schnellen Änderung ihres Volumens zur Erzeugung sowohl einer positiven als auch einer negativen Änderung befähigt sind. Bei der dargestellten Ausführungsform würde daher das magnetostriktive Element 14 L beim Anlegen positi-

ausgebildet, daß letzterer eine größere Masse und io _Ver Impulse eine Vergrößerung seines Volumens, größere Kolbenflächen' aufweist als der Hilfsschieber. gleichzeitig mit einer durch das Anlegen- negativer Weitere Merkmale der Erfindung, die anschließend Impulse an das Element 14 2? dieses eine Verringein einem Ausführungsbeispiel an Hand! der Zeich- rung seines Volumens erzeugen. Dadurch entsteht ein nung näher erläutert wird, ergeben sich aus den Druckunterschied in den Kammern UL und Hi?, Unteransprüchen. Die Zeichnung zeigt einen Quer- 15 indem der Druck in der Kammer HL ansteigt und schnitt durch eine schematisch dargestellte beispiels- der Druck in der Kammer 112? abfällt. Dadurch wird weise Ausführungsform der hydraulischen Steuerung eine entsprechende Bewegung des Hilfsschiebers 10 nach der Erfindung. nach rechts ausgelöst.

Ein Hilfsschieber 10 ist in einem Zylindern ge- Die Druckveränderung in den KammernHL und

führt, der zusammen mit anderen Kammern und Ver- 2° Hi? wirkt sich jedoch auf die Leitungen 12L und bindungsleitungen in einem Gehäuse 12 angeordnet 122? infolge der Wirkung von Drosselventilen 13L ist. Zur vereinfachten,Darstellung ist das Gehäuse 12 und 13R nicht direkt aus, so daß weder eine Druckin der Zeichnung als aus einem Stück bestehend dar- erhöhung in der Leitung 12L noch eine Verringerung gestellt, doch ist es in der praktischen Ausführung des Druckes in der Leitung 122? entsteht. Bei der so zweckmäßig aus mehreren, in geeigneter Weise mit- 25 eingeleiteten Bewegung des Hilfsschiebers 10 nach einander verbundenen Teilen zusammengebaut. rechts wird aber die bisher ausgeglichene Strömung

Der Hilfsschieber 10 besteht aus drei Kolben 10 L, des Druckmittels in den Kanälen 12L und 12R ge-10i? und 10 c, die durch Kolbenstangen mit gerin- stört, so daß infolge der Verstellung des Kolbens 10 c gern Durehmesser miteinander verbunden sind. Der in bezug auf die ringförmige Kammer 11a die Strö-Zylinder 11 hat in der Mitte eine ringförmige Erwei- 30 mung der Flüssigkeit in der Leitung 12L vergrößert terung Ha, die mit einem Einlaßkanal verbunden und die Strömung in der Leitung 122? verringert wird, ist, an dessen Mündung LP in der Pfeilrichtung Flüs- Dies hat eine Vergrößerung des Druckes in der

sigkeit unter geringem Druck eingelassen wird. Die Leitung 12 L und entsprechend eine Verringerung des Länge der ringförmigen Kammer 11 α ist größer als Druckes in der Leitung 122? zur Folge, so daß auch die Länge des mittleren Kolbens 10c des Hilfsschie- 35 in den mit diesen Leitungen verbundenen DruckberslO, so daß die Strömung des Druckmediums um kammern HL und Hi? eine entsprechende Druckden Kolben 10 c in jedem Fall freigegeben ist. Diese
Strömung setzt sieh über Kanäle 122? und 12L zu
einer Rückleitung 2? fort. Solange der Hilfsschieber 10
sich in seiner Mittelstellung befindet, ist der Flüssig- 40
keitsstrom vom Eingang LP zu den Kanälen 12 L und

122? gleich. Dadurch herrschen zu beiden Seiten des Hilfsschiebers 10 die gleichen Druckverhältnisse, so daß dieser in seiner mittleren, neutralen Stellung gehalten wird.

Die beiden Kolben 1OX und 102? des Hilfssohiebers sind mit genauer Passung flüssigkeitsdicht in dem Zylindern geführt. Dieser ist an seinen Enden im Durchmesser verringert, so daß Anschläge 11 b und

änderung auftritt. Da diese Änderung keine Impulseigenschaft hat, wird sie auch durch die Drosselventile 1321 und 132? übertragen.

Die Rückübertragung dieser Druckänderung bewirkt eine Weiterbewegung des Hilfsschiebers 10 in der Richtung nach rechts und dadurch eine entsprechende Vergrößerung der Strömungsungleichheit, eine größere Druckdifferenz und somit eine weitere 45 Bewegung des Hilfsschiebers 10 nach rechts bis zum Anschlag Hc.

Die Leitung 1221 ist mit einer Druckkammer 15L verbunden, die ihrerseits über ein zweites Drosselventil 16L mit der Rückleitung der Einrichtung ver-

llc für den Hilfsschieber 10 gebildet sind. Den äuße- 5° bunden ist. In gleicher Weise ist die Leitung 122? mit ren Stirnflächen der Kolben 1OL und 102? liegen zwei einer gleichen und entgegengesetzt gerichteten Druckgleiche Druckkammern HL und 112? gegenüber, so kammer 152? verbunden, die über das Drosselventil daß jede Druckungleichheit in diesen Druckkammern 162? mit der Rückleitung in Verbindung steht, eine entsprechende Bewegung des Hilfsschiebers 10 Die Druckkammern 15L und 152? bilden die Fortauslöst. Über justierbare Drosselventile 13 L und 132? 55 setzung einer zylindrischen Bohrung, in der ein sind die Druckkammern 111 und 112? mit den Steuerschieber 20 geführt ist, und jeder Druckunter-Kanälen 12L bzw. 122? verbunden. Der Gleich- schied in den beiden Kammern bewirkt eine entgewichtszustand des Hilfssohiebers 10 bleibt unge- sprechende Verstellbewegung des Steuerschiebers 20. stört, solange vom EingangLP um den KolbenlOc Die Erhöhung der Flüssigkeitsströmung in der Leiherum ein gleicher Flüssigkeitsstrom in die Kanäle 60 tungl2L gemäß dem oben beschriebenen Vorgang 12L und 122? gelangt. bewirkt daher einen Druckanstieg in der Kammer

Mit den Druckkammern HL und 112? wirken 15L bzw. die Verringerung der Strömung in der Lei-Störungsmittel 14 L und 142? zusammen, die in der tung 122? einen Druckabfall in der Druckkammer Zeichnung als magnetostriktive Elemente dargestellt 152?, so daß eine Bewegung des Steuerschiebers 20 sind, aber auch als andere äquivalente Mittel, z. B. 65 nach rechts erfolgt. Das Massenverhältnis des Steuerpiezoelektrische Kristalle oder elektromagnetisch be- Schiebers 20 und des Hilfsschiebers 10 ist im vortätigte Membranen, denkbar sind. Diese hierfür ver- liegenden Beispiel mit 13 :1 gewählt, so daß infolge wendeten Störmittel haben die Eigenschaft, daß sie der großen Differenz der Massen des Steuerschiebers

20 und des Hilfsschiebers 10 die Beschleunigung des Steuerschiebers 20 erheblich geringer ist als die des Hilfsschiebers 10.

Die Bewegung des Steuerschiebers 20 läuft also wesentlich langsamer ab als die des Hilfsschiebers 10, so daß letzterer bereits seinen ganzen Bewegungsweg zurückgelegt hat, bevor eine benennenswerte Bewegung des Steuerschiebers 20 begonnen hat. Sobald der Steuerschieber 20 eine gewisse Geschwindigkeit

Justagen werden empirisch ermittelt und sind eine Funktion der Parameter der Anlage, die nicht nur die Größenvenhältnisse der Bauteile und Leitungen, sondern auch die Charakteristiken der magnetostriktiven 5 Störelemente sowie die Kennwerte und Temperaturen des verwendeten Flüssigkeitsmedmms umfassen.

Befindet sich der Hilfsschieber 10 in der beschriebenen Weise in seiner neutralen, mittleren Stellung und der Steuerschieber 20 in seiner rechten Stellung

links eine unausgeglichene Strömung in den Leitungen 12L und 122? und somit einen Druckunterschied in diesen Kanälen.

Werden also an das magnetostriktive Element 14 R positive Impulse angelegt, um eine Vergrößerung dessen Volumens zu erzeugen, und negative Impulse an das magnetostriktive Element 14L, um eine Verringerung dessen Volumens zu bewirken, so tritt eine

erreicht hat, wirkt er als Pumpe und drückt die Flüs- io am Anschlag 177?, so erzeugt eine darauffolgende sigkeit aus der Kammer ISi? hinaus, während er umgekehrte Bewegung des Hilfsschiebers 10 nach andererseits Flüssigkeit in die Kammer ISL hineinsaugt.

Der unterschiedliche Zustand der Strömung in den
Leitungen 12L und 127? wird durch die bei der Be- 15
wegung des Steuerschiebers 20 nach rechts erzeugte
Gegenströmung überwunden. Diese wird jedoch
durch die Wirkung von Drosselventilen 16 L und 167?
nicht vollständig durch die Rückleitung R aufgenommen, sondern wirkt den Druckverhältnissen in den 20 kurzzeitige Druckerhöhung in der Druckkammer Leitungen 12L und 127? entgegen, indem durch diese 117? und eine Druckverringerung in der Druck-Gegenströmung der Druck im Kanal 12L erhöht kammer HL ein.

wird. Gleichzeitig verringert sich der Druck in der Diese kurzzeitige Druckänderung in den beiden

Leitung 12L, so daß der dadurch erzeugte Druck- Kammern erzeugt eine zusätzliche geringe Bewegung unterschied in den Druckkammern HL und 117? 25 des Hilfsschiebers 10 nach links, wodurch die Ströeine entsprechende Bewegung des Hilfsschiebers 10 mung im Kanal 127? noch größer wird als in der Leinach links zur Folge hat. tungl2L. Dadurch entsteht ein größerer Druck in Es ist darauf hinzuweisen, daß die Drosselventile der Leitung 127? und ein kleinerer in der Leitung 13L und 137? keine Einschränkung dieser Strömung 12L, wobei diese Drücke durch die Drosselventile bewirken, da diese Druckänderung nicht impulsartig 30 137? und 13L in die Druckkammern 117? bzw. HL auftritt wie bei der Erregung der Störelemente 14L übertragen werden. Diese Vorgänge entsprechen ge- und 147?, wie oben beschrieben. Hat der Hilfsschie- nau den bereits vorher beschriebenen, nur daß die ber 10 seine mittlere Stellung erreicht, ist die durch linke Seite der symmetrischen Anordnung gemäß der LP in die Leitungen 12L und 127? eintretende Flüs- Zeichnung mit der rechten vertauscht ist. Demnach sigkeitsströmung wieder ausgeglichen, und der Steuer- 35 bewirken die Druckänderungen in den Kammern schieber setzt seine Bewegung in seine äußerste Stel- 117? und HL eine weitere Bewegung des Hilfsschiebers 10 nach links und eine Vergrößerung der Differenz der Strömungsverhältnisse auf beiden Seiten, ebenso einen größeren Druckunterschied, um den 40 Hilf sschieber 10 über seinen vollen Weg nach links bis zum Anstoß an den Anschlag 11 & zu bewegen. Ebenfalls in gleicher Weise wie vorher wird der unterschiedliche Druck in den Leitungskanälen 127? und 12 L über die Druckkammern 157? und ISL zum 45 Steuerschieber 20 übertragen.

Dieser befindet sich jedoch nun in seiner rechten Stellung am Anschlag 177? und beginnt sich infolge des größeren Druckes in der Kammer 157? nach links zu bewegen. Dies entspricht einem Pumpvorgang,

die Rückleitung 15 b des Arbeitskreises mit einem 50 durch den die Flüssigkeit in der Kammer 15 L auf-RücklaufkanalS verbunden wird. Durch die Bewe- wärts in die Leitung 12L gepumpt wird und vergung des Steuerschiebers 20 nach links wird die anlaßt, daß der Hilfsschieber 10 in seine neutrale Druckleitung HP mit der Leitung IS b und der Kanal Stellung zurückgeht.

15 a mit der Rückleitung 5 verbunden. Anstatt einer Durch die Bewegung des Steuerschiebers 20 nach

hydraulischen Umschaltung, wie im vorliegenden 55 links wird gleichzeitig die Flüssigkeit aus der Kammer Ausführungsbeispiel, kann der Steuerschieber auch 157? abgesaugt, und durch das Nachströmen von für eine mechanische Betätigung verwendet werden; Medium aus dem Kanal 7? entsteht eine Druckverin diesem Fall wäre er als einfacher Kolben ausgebil- ringerung an der rechten Seite des Hilfsschiebers 10, det und durch zwei Kolbenstangen an der Stelle der die die Rückstellung dieses Schiebers unterstützt. Anschläge 177? und 17 L mittels Stopfbuchsen mit 60 Durch das Verhältnis der Massen des Hilfsschiebers der zu betätigenden Einrichtung verbunden. 10 und des Steuerschiebers 20 zueinander und durch

Die Drosselventile 13L, 137?, 16L und 167? sind die einstellbare Drosselwirkung der Drosselventile justierbar. Dies ist sowohl hinsichtlich des Ausgleichs 13 L, 137?, 16L und 167? wird der Hilf sschieber 10 der Strömung durch die Anlage notwendig als auch in seine mittlere, ausgeglichene Lage zurückgestellt, bezüglich der Drosselventile 13 L und 137?, insbeson- 65 ohne diese zu überschreiten.

dere zur Steuerung der Regenerierungsrückströmung, Würde er über diese Mittelstellung hinausgehen,

erforderlich, um zu verhindern, daß die Vorrichtung geriete die Anlage in einen selbsterregenden Schwinin den Zustand der Eigenschwingung kommt. Diese gungszustand, der selbstverständlich unerwünscht ist.

lung nach rechts fort, wo er gegen einen Anschlag 177? stößt. Ein entsprechender Anschlag 17 L begrenzt die Bewegung des Steuerschiebers 20 nach links bei umgekehrter Arbeitsweise.

Sobald der Steuerschieber in seiner rechten oder linken Endlage angelangt ist, bleibt er in dieser Stellung, da die ausgeglichene Strömung in den Leitungen 12 L und 127? keine Druckungleichheit erzeugt, um die Stellung des Steuerschiebers zu verändern.

Ebenso wie der Hilfsschieber hat auch der Steuerschieber drei Kolben, so daß bei seiner Bewegung nach rechts der Flüssigkeitsstrom von einer Druckquelle HP in einea Arbeitskreislauf ISa geleitet und

Die beschriebene hydraulische Steuerung spricht also auf eine einleitende geringe Störung an und erzeugt einen vollen Hub eines Steuerschiebers bei gleichzeitiger Rückstellung des Hilfsschiebers in seine mittlere Ausgangsstellung durch, eine hydraulische Rück- S kopplung.

Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, solange nicht aufeinanderfolgend zwei gleichgerichtete Impulse an das Störmittel des Hilfsschiebers angelegt werden. In diesem Fall würde die Stellung des Steuerschiebers keine Änderung erfahren, wie nicht erläutert zu werden braucht.

Um zu verhüten, daß versehentlich zwei aufeinanderfolgende Arbeitsgänge in der gleichem Richtung eingeleitet werden, können die Steuerstromkreise für die Erregung der magnetostriktiven Elemente 14L und 14 R elektrische Kontakte enthalten, die auf die Stellung des Arbeitskreises ansprechen, um zu verhindern, daß gleichgerichtete Impulse während zweier aufeinanderfolgender Arbeitsgänge an die Störelemente angelegt werden.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hydraulische Steuerung mit einem Steuerschieber, dessen Betätigung durch wechselnden Druck auf eine seiner Stirnflächen durch einen Hilfsschieber steuerbar ist, dessen Umsteuerbewegung durch einen elektrischen Impuls auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der durch einen Druckmittelkreislauf (LP-K) in Mittellage gehaltene Hilfsschieber (10) durch impulsausgelöste, auf seine Stirnflächen wirksame Volumenänderung zweier Druckkammern (11L, Hi?) eine seine Umsteuerung einleitende Bewegung erhält, durch die der Druckmittelkreislauf (LP-R) durch einen Mittelteil des Hilfsschiebers (10) zu dessen Betätigung auf die Druckkammern (11L, 112?) geschaltet wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine durch das Druckmittel übertragene Kopplung des Steuerschiebers (20) und des Hilfsschiebers (10) zur selbsttätigen, sofortigen Rückstellung des Hilfsschiebers (10) nach Erreichen seiner Endlage mittels des von den Druckkammern (15L, 15R) des Steuerschiebers (20) zu den Druckkammern (UL, UR) des Hilfsschiebers (10) zurückgeleiteten Druckmittels.

3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (20) eine größere Masse und Kolbenflächen aufweist als der Hilfsschieber (10).

4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch justierbare Drosselstellen (13L, 13R; 16L, 16R) in dem beide Schieber (10,20) betätigenden Druckmittelkreislauf (LP-R).

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Volumenänderung der Druckkammern (HL, Hi?) des Hilfsschiebers (10) durch magnetostriktive Elemente (14 L, 142?).

6. Steuerung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch entgegengesetzte Beeinflussung der magnetostriktiven Elemente (14 L, 14 i?) durch wechselweises Anlegen jeweils entgegengesetzt gerichteter Impulse.

7. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Volumenänderung der Druckkammern (HL, Hi?) des Hilfsschiebers (10) durch piezoelektrische Kristalle.

8. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Volumenänderung der Druckkammern (HL, 11 i?) des Hilfsschiebers (10) durch elektromagnetisch betätigte Membranen.

9. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung in elektronischen Rechenmaschinen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 695 974;
schweizerische Patentschrift Nr. 71248;
USA.-Patentschriften Nr. 2 582 088, 2 634 086.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1059 731.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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