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Mehrstufige Stellvorrichtung Die Erfindung betrifft eine mehrstufige
Stellvorrichtung mit einem hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren, einseitig
wirkenden Stellzylinder, dessen Kolben und Kolbenstange in verschiedene Hubstellungen
einstellbar sind.
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Es kommt häufig vor, daß bei Kraft- oder Arbeitsmaschinen
für ein zu betätigendes Organ in Abhängigkeit von der Betätigung der Maschine
mehrere voneinander unabhängige Lagen bzw. Stufen eingestellt werden müssen. Dies
wird in der Regel mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Kolbenvorrichtung
vorgenommen. Bekannte Einrichtungen dieser Art können in zwei Hauptgruppen eingereiht
werden, je nachdem die Einstellung der erwünschten Stufen oder Lagen durch
mehrere oder durch einen einzigen Arbeitszylinder bewirkt wird. In der Hauptgruppe
mit mehreren Arbeitszylindern können zwei Untergruppen unterschieden werden,
je nachdem für eine jede Einstellage ein besonderer Arbeitszylinder vorgesehen
ist oder aber die Einstellung gruppenweise durch für die Glieder der Gruppe gemeinsame
Arbeitszylinder bewirkt wird. Im letzteren Fall wirken die Kolben der Arbeitszylinder
mittels sogenannter Addierhebel gemäß dem Variationsprinzip auf das zu betätigende
Organ ein. Ein Nachteil dieser Hauptgruppe besteht im durch die Mehrzylinderform
bedingten großen Eigengewicht und Raumbedarf, die selbst durch die Acfditionshebel
nicht wesentlich verringert werden, während die letzteren natürlicherweise Komplikationen
im Aufbau und in der Steuerung hervorrufen.
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Bei den bekannten Ausführungsformen mit einem einzigen Zylinder (zweite
Hauptgruppe) kann das zu betätigende Organ durch Abänderung des Arbeitsmitteldruckes
im Zylinder in den verschiedenen Kolbenhüben zugeordnete Lagen bzw. Stufen gebracht
werden, wodurch aber einerseits ebenfalls bedeutende Komplikationen im Aufbau auftreten,
andererseits auch die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Betätigung abnehmen.
Dies ist nicht zuletzt darauf zurückzuf ühren, daß die Kolbenlage durch die vom
zu betätigenden Organ rückwirkenden Kräfte beeinflußt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Stellvorrichtung
mit nur einem Zylinder so auszubilden, daß sie druckunabhängig arbeitet und von
den auf die Stelleinrichtung rückwirkenden Kräften nicht beeinflußt wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeder Hubstellung
ein durch das Arbeitsmittel über ein Schaltventil betätigbarer federbelasteter Steuerschieber
zugeordnet ist, der bei Beaufschlagung den Druckmittelzufluß zum Stellzylinder -und
bei Entlastung vorübergehend den Druckmittelabfluß vom Stellzylinder freigibt, wobei
ein mit der Kolbenstange des Stellzylinders unmittelbar oder über ein Gelenkgestänge
verbundener und am Steuerschiebergehäuse gelagerter Rückleithebel mit den aus dem
Gehäuse herausgeführten Schaftansätzen der Steuerschieber so zusammenwirkt, daß
bei Erreichen einer bestimmten Hubstellung der betreffende betätigte Steuerschieber
in eine solche Lage verstellt wird, in der er den Druckmittelzufluß zum Stellzylinder
absperrt, während der Rückleithebel so angeordnet ist, daß in den der Ausgangslage
des Stellkolbens zugeordneten Ausgangsstellungen der Steuerschieber zwischen den
Schaftansätzen und dem Rückleithebel Abstände verbleiben, die je Steuerschieber
verschieden groß sind.
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Entgegen der bisherigen Einstellung durch Druckänderung arbeitet die
Vorrichtung gemäß der Erfindung auf Grund des Prinzips der sogenannten Volumenbeständigkeit
(Rauminhaltkonstanz). Der Arbeitszylinder wird bei Betätigung eines beliebigen Steuerschiebers
auf ein genau bestimmtes konstantes und den betreffenden Steuerschieber kennzeichnendes
Volumen mit Arbeitsmittel aufgefüllt, wobei die Höhe des Arbeitsmitteldruckes bzw.
die hierdurch bedingte Menge des dem Arbeitszylinder zugeführten Arbeitsmittels
unbeachtet bleibt. Der Kolben des Zylinders kommt demnach bei wiederholter Betätigung
des gewählten Steuerschiebers jeweils nach Ausführung eines dem den Schieber kennzeichnenden
Zylindervolumen
proportionalen Hubes in Stillstand. Da zwischen
Kolbenstange und Rückleithebel eine Zwangsverbindung besteht, wird beim Unterbrechen
der Arbeitsmittelzufuhr der Kolben des Arbeitszylinders in einer bestimmten Lage
stillgesetzt. Das Stillsetzen des Kolbens erfolgt bei flüssigem ArbeitsmitteI praktisch
unverzüglich und bei gasartigem Arbeitsmittel, wie dies aus dem folgenden hervorgeht,
nach einem geringen Spiel. Der während dieser Bewegung ausgeführte Hub des Kolbens
ist aber je nach dem Abstand zwischen Schaftansatz des Steuerschiebers und
Rückleithebel für jeden Steuerschieber verschieden. Der Kolben wird nämlich infolge
der Auffüllung des Arbeitszylinders bei geöffnetem Steuerschieber bereits um ein
je Steuerschieber bestimmtes Maß verstellt, während der Rückleithebel dem Abstand
entsprechend verschwenkt worden ist. Hierdurch sind die verschieden großen freien
Hübe des Kolbens in der gewählten Reihenfolge der Betätigung der Steuerschieber
unabhängig vom Arbeitsmitteldruck und infolge der Ausbildung mit schwebendem Kolben
auch voneinander unabhängig. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch ersichtlich,
daß die auf diese Weise arbeitende mehrstufige erfindungsgemäße Stellvorrichtung
unbedingt genauer und zuversichtlicher arbeitet als die bisher bekannten Ausführungen
mit einem einzigen Zylinder, wobei die neue Vorrichtung auch konstruktionsfähig
einfacher ist und einen geringeren Raum fordert, da die Steuerschieber raumsparend
und unter sich gleichartig ausgebildet werden können.
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Wird der Rückleithebel als eine gerade Stange ausgebildet, so können
die Steuerschieber in vorteilhafter Weise in der Schwenkebene des Rückleithebels
zueinander parallel nebeneinander angeordnet sein. In der Hubrichtung haben sie
dabei in gleicher Höhe angeordnete Öffnungs- und Schheßlagen. Hierdurch wird auch
eine Vereinfachung der Füll- bzw. Abführungskanäle für das Arbeitsmittel von den
Steuerschiebern zum Arbeitszylinder und in entgegengesetzter Richtung erreicht,
indem diese Kanäle zwischen den Steuerschieberräumen entlang einer Geraden angeordnet
werden können. Der Rückleithebel und die Anordnung der Steuerschieber kann aber
- in der Regel ohne hierdurch bedingte besondere Vorteile - auch anders
sein. So kann z. B. der Rückleithebel in der Form einer ebenen Kurve ausgebildet
sein oder eine Form mit zwei bzw. mehreren Zweigen (eine verzweigte Form) aufweisen.
In diesem letzteren Fall können die Steuerschieber in zwei bzw. mehreren Gruppen
hintereinander in zwei, drei usw. Ebenen angeordnet werden, wobei die Rückleithebel
der einzelnen Steuerschiebergruppen voneinander gesondert auf einer gemeinsamen
Drehachse befestigt werden und voneinander verschiedene Winkellagen einnehmen können.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem
stangenförmigen geraden Rückleithebel und mit sechs in einer Ebene angeordneten
Steuerschiebem ist in den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt dabei einen Schnitt durch die axiale Mittellinie
der Steuerschieber und des Arbeitszylinders; Fig. 2 und 3 zeigen
je eine Betriebslage eines Steuerschiebers, wobei die Betriebslagen des Steuerschiebers
von jener gemäß Fig. 1 verschieden sind.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Steuerschieber 14
von sechs ähnlichen Steuerschiebern 1, ... 1, durch ein Arbeitsmittel über
eine Anschlußleitung 2, unter sechs ähnlichen Anschlußleitungen 21 ... 2,
betätigt. Zu diesem Zweck wird das Arbeitsmittel unter den Steuerschieber
1, geführt. Es kann ein beliebiges Gas oder eine beliebige Flüssigkeit, wie
Luft, Kohlendioxyd, Wasser, Öl usw., sein. Das Arbeitsmittel gelangt in die
Anschlußleitung 2, über ein Verteilersystern mit Schaltventilen 3, ... 3,
für jede Anschlußleitung 21 ... 2" die aus einem gemeinsamen Speisekanal
abgezweigt sind, der mit einem nicht dargestellten Speicherbehälter zum Speichern
des Arbeitsmittels unter Druck verbunden ist. Die Schaltventile 31 ... 3,
in den Anschlußleitungen 2, ... 2, weisen T-förinige Bohrungen auf. Sie können
aber auch anders geartet, z. B. als Ventilschieber ausgebildet sein. Diese Verschlußorgane
werden in vorbestimmter Reihenfolge bzw. beliebig von Hand, elektromagnetisch, hydraulisch
oder mechanisch betätigt, wobei die Betätigung z. B. auch durch einen Regler bewirkt
werden kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die Schaltventile
31, 32, 3" 35 und 3, der Anschlußleitungen 2" 22, 23, 25, 2,
derart eingestellt, daß diese von der gemeinsamen Speiseleitung abgeschlossen und
mit der Außenluft verbunden sind. In dieser Lage wird der Steuerschieber 14 durch
das Arbeitsmittel entgegen der Wirkung einer Feder 4 in die Lage gemäß Fig. 2 gebracht,
so daß er eine wesentlich höhere Lage als die anderen einnimmt. Dies hat zur Folge,
daß der Schieber einen im Steuerschiebergehäuse ausgebildeten Kanal 5 freigibt,
wobei das Arbeitsmittel über diese Bohrung 5 sowie über eine ihre Fortsetzung
bildende Bohrung 6 in einen Raum 8 des Arbeitszylinders der Stellvorrichtung
fließen kann. Im Arbeitszylinder ist ein Kolben 7 vorgesehen. Eine Feder
9 trachtet den Kolben 7 in Fig, 1 nach oben zu verschieben.
Wenn das Arbeitsmittel über die Kanäle 5 und 6 in den Raum
8
gelangt, wird der Kolben 7 durch das Arbeitsmittel entgegen der Wirkung
der Feder 9 in Fig. 1 nach unten gedrückt. Der Kolben 7 weist
eine Kolbenstange 10 auf, an deren Ende ein zu betätigendes Organ mittels
eines Zapfens 11 befestigt werden kann. Die Kolbenstange 10
ist ferner
mit einem Hebel 12 gelenkig verbunden, der mittels einer Gelenkstange 22 am Gehäuse
der Vorrichtung verankert ist. Am Hebel 12 ist eine Zugstange 13 gelagert,
die mit einem Rückleithebel 14 gelenkig verbunden ist. Der Rückleithebel 14 ist
bei 21 ebenfalls mit dem Gehäuse der Vorrichtung gelenkig verbunden. Am Rückleithebel
14 sind Einstellschrauben 15,... 15,
angeordnet, die jeweils mit einem
Schaftansatz der Steuerschieber 1, . . . 1, zusammenarbeiten. Die axiale
Lage der Einstellschrauben 15, ... 15, ist derart gewählt, daß beim
Verschwenken des Rückleithebels 14 in Fig. 1 entgegen dem Uhrzeigersinn,
d. h. nach unten, die Schaftansätze der jeweils betätigten Steuerschieber
erreicht werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Betriebslage wird z. B.
der Schaftansatz des Steuerschiebers 14 durch die Einstellschraube 154 betätigt,
indem die Einstellschraube 154 am Schaftansatz des Steuerschiebers 14 aufschlägt
und den Steuerschieber 1, entgegen dem Druck des Arbeitsmittels in die in
Fig. 1 dargestellte Betriebslage selbst dann zurückstellt, wenn der Druck
des Arbeitsmittels seinen Höchstwert erreicht. In dieser Lage wird die Bohrung
5 durch den Steuerschieber 14 abgesperrt, so daß der Zufluß des Arbeitsmittels
aus einem Raum 18 unterhalb des Steuerschiebers 14 über die Kanäle
5 und 6 in den Raum 8 aufhört und der Kolben 7 stillgesetzt
wird.
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Wird ein gasförmiges Arbeitsmittel verwendet, so kann es vorkommen,
daß das Gas im Arbeitszylinder bei der oben beschriebenen Lage des Steuerschiebers
14
weiter expandiert. Dann wird das Gestänge 12, 13, 14 durch
den sich abwärts bewegenden Kolben 7 mitgenommen. Infolgedessen wird der
Steuerschieber 1,
durch die Stellschraube 154 gegen den Gasdruck in die in
Fig. 3 dargestellte Lage gebracht.
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In dieser Lage wird die Bohrung 5 durch den Steuerschieber
14 zum Teil freigegeben, so daß sie mit dem Raum 16 zwischen den Scheiben
des Steuerschiebers in Verbindung kommt. Von hier gelangt nun das aus dem Zylinderraum
8 herausströmende Gas über eine offene Bohrung 17 in die Umgebung
oder in einen nicht dargestellten Niederdruckbehälter. Nachdem der Druck im Zylinderraum
8 auf diese Weise abgenommen hat, wird der Kolben 7 durch die Feder
9 wieder aufwärts geschoben, wobei in der bereits beschriebenen Weise auch
die Stellschraube 15, aufwärts bewegt wird. Gleichzeitig wird der Steuerschieber
14 durch den Gasdruck im Raum 18 unterhalb des Steuerschiebers
1,
zum Folgen der Stellschraube 15, gezwungen. Sobald die Bohrung
5 durch den Steuerschieber 14 erreicht und verschlossen worden ist, wird
der Kolben 7 endgültig stillgesetzt, weil das Abblasen bzw. die Herausströmung
des Gases aufhört. Um zu vermeiden, daß ein zu schneller Verlauf oder eine ofte
Wiederholung dieses Vorganges allfällig unerwünschte Schwingungen herbeiführt, ist
beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein schwingungsdämpfender Bremskatarakt
19 vorgesehen, dessen Kolbenstange beim dargestellten Ausführungsbeispiel
mit dem Hebel 12 gelenkig verbunden ist. Es ist aber auch möglich, die Kolbenstange
des Bremszylinders 19 mit einem über den Drehpunkt 21 hinaus verlängerten
nicht dargestellten Fortsatz des Rückleithebels 14 zu verbinden.
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Soll der Kolben 7 in seine Ausgangslage gebracht werden, so
wird der Arbeitsmitteldruck durch eine Verdrehung um 90' des Schaltventils
34 in der Anschlußleitung 24 unterhalb des Steuerschiebers 1, aufgehoben,
worauf der Steuerschieber 14 durch die Feder 4 abwärts geschoben wird. Bei abwärts
gerichteter Verschiebung des Steuerschiebers 1, werden die Bohrungen
5 und 17 vorübergehend verbunden, so daß das Arbeitsmittel aus dem
Raum 8 über die Bohrung 17 ins Freie entweichen kann. Dies hat zur
Folge, daß der Arbeitsmitteldruck im Raum 8 aufhört und der Kolben
7 durch die Feder 9 in seine Ausgangslage geschoben wird. Hierzu ist
aber in der Regel erforderlich, daß der Druck unterhalb des Steuerschiebers
1, langsam verringert wird, damit das Arbeitsmittel Zeit hat, über die Bohrungen
5 und 17 hinauszuströmen. Diese langsame Verringerung des Arbeitsmitteldruckes
ist nicht notwendig, wenn das Arbeitsmittel aus dem Raum 8 auch über einen
anderen Weg entweichen kann. Zu diesem Zweck kann z. B. ein gesteuertes Abblasventil
verwendet werden. Es ist aber auch möglich, gesteuerte, ständig offene oder allfällig
einstellbare Sickerungsöffnungen 20 vorzusehen, sofern ein geringfügiges Sickern
oder Abblasen des Arbeitsmittels zugelassen werden kann. Hierdurch wird die Betätigung
der Vorrichtung insofern beeinflußt, daß die Bohrung 5 durch den Steuerschieber
1, bei dessen Betätigung nicht vollständig abgeschlossen wird. Vielmehr wird
die Zwischenlage des Steuerschiebers 1, um einen geringen Spalt zwischen
der Bohrung 5 und dem Raum 18 höher sein, damit die Sickerungs- oder
Abblasverluste durch das hier zuströmende Arbeitsmittel ersetzt werden können.
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Damit der Kolben 7 aus einer Hublage derart in eine andere
Hublage verlegt werden kann, daß er inzwischen seine Ausgangslage einnimmt, wird
durch Öffnen des entsprechenden Schaltventils zunächst Arbeitsmittel zum Steuerschieber
der neuen Hublage zugelassen und erst nachher der Druck unterhalb des der vorherigen
Hublage zugeordneten Steuerschiebers aufgehoben. Der Kolben 7 bewegt sich
auch in diesem Fall in Richtung seiner Ausgangslage, diese Bewegung ist aber um
so geringer, je schneller der der neuen Hublage entsprechende Steuerschieber
aufwärts bewegt wird.
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Der Kolben 7 und somit das vom Zapfen 11 der Kolbenstange
10 aus betätigte Einstellorgan können eine Ruhelage nur dann einnehmen, wenn
der zugeordnete Steuerschieber die Öffnung der Bohrung 5
gerade abschließt,
oder zwischen dem Raum 18 und der Bohrung 5 einen Spalt öffnet, der
hinreichend groß ist, um die durch Sickerung bedingten Arbeitsmittelverluste durch
das zuströmende Arbeitsmittel zu ersetzen. Es ist somit ersichtlich, daß die jeweilige
Einstellung des vom Zapfen 11 betätigten Einstellorgans durch jene Einstellschraube
15 bestimmt ist, die am Schaftansatz des gerade betätigten Steuerschiebers
aufschlägt. Durch Ein- und Ausschrauben der Stellschrauben 15 kann die Lage
des Kolbens 7 und der angeschlossenen Teile im Verhältnis zu den einzelnen
Steuerschiebern und somit zur Ausgangslage sehr genau eingestellt werden. In Fig.
1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Einstellen der Drehzahl eines Dieselmotorregulators
dargestellt, die, die »Stop«-Lage des Dieselmotors mitinbegriffen, sieben Lagen
aufweist. Diese Lagen können nun erfindungsgemäß, wie dargestellt, bei Verwendung
von sechs Steuerschiebern mittels eines einzigen gemeinsamen Arbeitszylinders gebildet
werden.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der um den Drehzapfen 21
schwenkbare Rückleitliebel 14 mit der Kolbenstange 10 nicht unmittelbar,
sondern über den Hebel 12 und die Zugstange 13 verbunden, wobei das Gestänge
12, 13, der Drehzapfen 21 und die zum Aufhängen des Hebels 12 dienende Gelenkstange
22 in der dargestellten Weise ein Gelenkviereck, z. B. ein Gelenkparallelogramm,
bilden. Anstatt eines Gelenkparallelogramms kann aber auch ein Gelenkviereck von
einer allgemeineren Anordnung verwendet werden. Auch das Gelenkgestänge 12,
13 kann durch eine gelenkige Vorrichtung anderer Art ersetzt werden. Es soll
dabei bemerkt werden, daß die dargestellte Form des beispielsweisen Gelenkgestänges
vor allem aus zeichnerischen Gründen gewählt worden ist, damit die Bewegung von
der aus dem Gehäuse der Vorrichtung unten herausragenden Kolbenstange auf den an
der entgegengesetzten Seite des Gehäuses oben geschwenkten Rückleithebel übertragen
werden kann. Wird nämlich z. B. eine Anordnung gewählt, bei welcher die Kolbenstange
bei abwärts gerichteter Hubrichtung oben aus dem Arbeitszylinder herausgeführt ist,
so kann der Rückleithebel 14, der beim Drehzapfen 21 gelagert ist, mittels einer
an sich bekannten gabelförmigen, gelenkigen usw. Verbindung auch unmittelbar durch
die Kolbenstange bewegt werden. Wie bereits erwähnt und aus dem obigen hervorgeht,
sind bei all diesen Ausführungen die gleichgestalteten und in gleicher Höhe öffnenden
bzw. schließenden Steuerschieber vorteilhaft nebeneinander und zueinander parallel
angeordnet. Von einer Anordnung dieser Art kann zwar prinzipiell Abstand genommen
werden, was aber nur auf Kosten der Einfachheit des Aufbaues und der Wirkungsweise
möglich ist.
Als weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemä,ßen
Vorrichtung können ohne Anspruch auf Vollständigkeit die Einstellung der Füllung
bei Dieselmotoren, verschiedene Mengenregelungen, der Stufenwechsel von Geschwindigkeitswechselgetrieben,
die Betätigung von mehrstufigen Fernbetätigungen usw. genannt werden.