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Vorrichtung zur Regelung des Gleichlaufs von Hubverdränger und Rotationsverdränger
bei Bewegungswandlern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung
des Gleichlaufs von Hubverdränger und Rotationsverdränger bei Bewegungswandlern,
bei denen eine hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung dadurch umgewandelt
wird, daß ein Hubverdränger über ein mit Druckmittel gefülltes Übertragungssystem
mit einem Rotationsverdränger in Wirkungsverbinduno, steht.
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Bei solchen Bewegungswandlern kann bekanntlich der Gleichlauf zwischen
Hubverdränger und Rotationsverdränger in einer bestimmten Sollstellung dieser beiden
Elemente relativ zueinander zeitweilig oder dauernd gestört werden. Die Ursache
für eine solche Störung kann in Undichtigkeitsverlusten im Druckmittelsystem liegen,
wenn beispielsweise an den Dichtelementen zwischen einzelnen Kammern des Rotationsverdrängers
Druckmittel übertritt oder bei längerem Stillstand des Bewegungswandlers der Kolben
eine bestimmte, durch die Schwerkraft bedingte Stellung einnimmt. Derartige Undichtigkeitsverluste
treten vor allem dann auf, wenn im Bewegungswandler große Kräfte übertragen werden
und dementsprechend groß-, öldrücke herrschen. Bei hohen öldrücken muß auch mit
der Kompressibilität des Druckmittels gerechnet werden, durch die gegebenenfalls
der Gleichlauf von Hubverdränger und Rotationsverdränger beeinflußt wird. Da Undichtigkeitsverluste
und Kompressibilitätsänderungen von vielen Betriebsgrößen, z. B. von der Drehzahl,
dem Belastungszustand, der Temperatur des Druckmittels od. dgl., abhängen, ist eine
möglichst verlustfreie Gleichlaufregelung mit starren Regelungselementen, die über
den ganzen Hub gleichmäßig wirken, nur schwer zu erreichen. Andererseits ist es
nicht ausreichend, lediglich den Gleichlauf von Hubverdränger und Rotationsverdränger
in den beiden Totpunkten oder in einem Totpunkt allein nachzuregeln. In den meisten
Fällen reicht nämlich die Ansprechgeschwindigkeit der Regelung nicht aus,
um die Kolben bei Betriebsänderung in ihren Totlagen zu halten. Bei Bewegungswandlern
von Großölmotoren, die mit Schweröl betrieben werden, ist aber die genaue Einhaltung
der oberen Totlage des Hubverdrängers und damit des zugehörigen Kolbens sehr wichtig,
weil ein Oberfahren einer eingelaufenen Totpunktstellung leicht zu Kolbenringschäden
führen kann. Wird der obere Totpunkt vom Kolben nicht ganz erreicht, so ist dies
kein schwerwiegender Mangel, auch hat man bezüglich der Einhaltung der unteren Totpunktstellung
mehr Freiheit.
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Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
so zu gestalten, daß die im vorstehenden genannten Bedingungen erfüllt werden. Die
Erfindung besteht in erster Linie darin, daß ein durch die Bewegung des Hubverdrängers
beeinflußter Regler verwendet wird, bei dem die zur Erzeugung eines Regelimpulses
erforderliche Abweichung des Hubes von der Soll-Stellung des Hubverdrängers mit
der Stellung des Hubverdrängers veränderlich ist. Insbesondere wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, daß im Bereich der unteren Totpunktstellung des Hubverdrängers zur
Erzeugung eines Regelimpulses eine größere Abweichung von der Soll-Stellung erforderlich
ist als im Bereich der oberen Totpunktstellung des Hubkolbens. Beispielsweise, soll
im Bereich der oberen Totpunktstellung des Hubkolbens die Regeleinrichtung bei einer
Abweichung von ± 0,2 lio von der Soll-Stellung des Hubkolbens ansprechen,
während im Bereich der unteren Totpunktstellung des Hubkolbens erst eine Abweichung
von ± 10 O/c, einen Regelimpuls erzeugt. Eine Vorrichtung nach der Erfindung
kann so ausgeführt werden, daß der Hubkolben und Rotationsverdränger mit veränderlichen
elektrischen Widerständen in Verbindung stehen, die zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet
sind, wobei die Widerstandswerte der mit Hubverdränger und Rotationsverdränger verbundenen
veränderlichen Widerstände im Bereich der unteren Totpunktstellung geringere Änderungen
der Nullspannung der Brückenschaltung ergeben als in der oberen Totpunktstellung
des Hubverdrängers.
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Zweckmäßig wird die Regeleinrichtung so ausgelegt, daß normale Leckölverluste
bzw. Kompressibilitätsunterschiede keinen Regelimpuls verursachen. Mit einer Einrichtung
nach der Erfindung wird erreicht,
daß die vielen möglichen Kolbenhubkurven,
die sich je nach der Kompressibilität des öls und dem Betriebszustand im
hydraulischen übertragungssystem zwischen Hubkolben und Rotationsverdränger ergeben,
einander so zugeordnet werden, daß die obere Totpunktstellung streng eingehalten
wird. Dagegen kann sich die untere Totpunktstellung des Hubverdrängers in gewissen
Grenzen verschieben, was aber im allgemeinen keinen Mangel darstellt.
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Verluste in der Regeleinrichtung sind bei dieser Art der Regelung
nur bei Änderungen des Betriebszustandes zu erwarten. Bei gleichbleibendem Betriebszustand
treten praktisch keine Regelverluste auf.
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Bekannt sind an sich Gleichlaufsteuerungen für Maschinen mit mehreren
parallel zueinander arbeitenden Arbeitszylindern oder hydrostatischen Motoren, wobei
sich die Arbeitskolben bzw. die Motorläufer zwangläufig mit gleichen oder in einem
bestimmten Verhältnis zueinander stehenden Geschwindigkeiten bewegen sollen. Es
handelt sich also hierbei nicht darum, in einem Bewegungswandler der eingangs genannten
Art Gleichlauf zwischen Hubverdränger und Rotationsverdränger zu erzielen. Insbesondere
ist hierbei nicht vorgesehen, mit der Stellung des Hubverdrängers die für einen
Regelimpuls maßgebende Abweichung des Hubes des Hubverdrängers von der der jeweiligen
Stellung des Rotationsverdrängers entsprechenden Soll-Stellung des Hubverdrängers
zu verändern.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die Regeleinrichtung zur Herbeiführung
des Gleichlaufs von Hubverdränger und Drehverdränger des hydrostatischen Triebwerks
einer zweizylindrischen Kolbenmaschine, Fig. 2 die Regeleinrichtung bei einer zweizylindrischen
Kolbenmaschine in gegenüber der in Fig. 1
dargestellten Regeleinrichtung abgewandelter
Form, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-III in Fig. 2 und Fig. 4 das
zu Fig. 1 gehörige Schaltbild.
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Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Brennkraftmaschine
gleiten in den Zylindern 1, 2 die Kolben 3, 4, die über Kolbenstangen
5, 6 mit den Hubkolben 7,8 verbunden sind. Die Hubkolben
7, 8
gleiten in Verdrängerzylindern 9, 10, die mit Druckflüssigkeit
gefüllt sind und über Kanäle 11, 12 mit der Drehkolbenmaschine
13 verbunden sind. Der auf der Antriebswelle 14 der Drehkolbenmaschine befestigte
Drehkolben arbeitet in der Weise, daß er bei seiner Drehung periodisch das von den
Hubkolben 7, 8 verdrängte Druckflüssigkeitsvolumen in die Verdrängerzylinder
9, 10 zurückverdrängt und dadurch die Hubkolben 7, 8 bzw. die Kolben
3, 4 der Brennkraftmaschine wechselweise 'in die Ausgangsstellung zurückführt.
An den Kolben 3, 4 sind Regelstangen 15, 16 befestigt, die die Kolbenbewegung
mitmachen und die niit Kontaktstücken 17, 18
verbunden sind, die während ihres
Hin- und Herganges auf regelbaren Ohmschen Widerständen 19 a,
19
b, 20 a und 20 b gleiten. Die regelbaren Widerstände
19a, 19b, 20a und 20b liegen an der Spannung einer Spannungsquelle
21. An dieser Spannungsquelle 21 liegen ferner die Regelwiderstände 22 a,
22 b, 23 a und 23 b, auf denen die Kontaktstücke 24,
25 von Gleitstiften 26, 27 gleiten, die sich mit Rollen
28, 29 auf einem auf der Antriebswelle 14 der Drehkolbenmaschine befestigten
Nocken 30 abstützen. Beim Umlauf der Antriebswelle 14 und des Nockens
30 gleiten die in ihrer Stellung um 90' zueinander versetzten Gleitstifte
26,
27 in entsprechenden Halterungen 31, 32 mit den Kontaktstücken
24, 25 auf den Regelwiderständen 22a, 22b, 23a und 23b. Mit
33, 34 bzw. 35, 36
sind die mit den regelbaren Widerständen
19 b, 20 b
bzw. Regelwiderständen22b, 23b in einer
Weathstoneschen Brückenschaltung parallel geschalteten Festwiderstände bezeichnet.
Mit 37, 38 sind zwei elektrische Nullspannungsumformer bezeichnet, die zur
Schaltung der elektrisch betätigten Zu- bzw. Ablaßventile39, 40, 41, 42 dienen,
mit denen Druckflüssigkeit in die Kanälell, 12 gespeist wird bzw. durch die Druckflüssigkeit
aus diesen Kanälen entnommen wird. Die veränderliche Empfindlichkeit der Regeleinrichtung
wird durch entsprechende Bemessung der Widerstände 19 a, 19 b,
20 a, 20 b bzw. 22a, 22b, 23a, 23b erreicht. Beispielsweise
können diese Widerstände auch auf aus Isoliermaterial bestehenden Kernen gewickelte
Schleifen aus Widerstandsdrabt sein, bei denen die Schleifen, die von den Kontaktstücken
17, 18 bzw. 24, 25 überschliffen werden, im Bereich der oberen Totpunktstellung
jeweils enger aneinanderliegen als im Bereich der unteren Totpunktstellung, so daß
eine Störung des Gleichlaufs im Bereich des oberen Totpunktes eine größere »Nullspannung«
in der Brückenschaltung erzeugt als in der unteren Totpunktstellung. Bei Verwendung
solcher Widerstände können die Festwiderstände 33, 34, 35 und
36 entfallen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
treten an die Stelle der Ohmschen Widerstände induktive Widerstände, die aus ringförmig
gewickelten Spulen 43 bestehen können, in die eine mit dem Kolben 44 verbundene
kegelförmige Lanze 45 während des Hin- und Herganges des Kolbens 44 im Zylinder
46 eintaucht. Es können aber auch hufeisenfönnige oder beispielsweise seitlich der
Lanze 45 angeordnete Induktionsspulen 47 verwendet werden, deren induktiver Widerstand
durch ein mit dem Kolben 48 verbundenes Schwert 45 a beim Hin- und Hergang
des Kolbens 48 im Zylinder 49 geändert wird. Mit 50, 51 sind bei dieser
Ausführungsform die Druckzylinder des hydrostatischen Triebwerkes bezeichnet, in
denen die Hubkolben 52, 53 gleiten, die mit den Kolben 44 bzw. 48 mittels
der Kolbenstange 54, 55 verbunden sind. Die Druckzylinder
51,
52 sind wiederum über Kanäle 56, 57 mit dem zum hydrostatischen
Triebwerk gehörenden Drehkolbenmotor 58 verbunden, auf dessen Abtriebswelle
59
wiederum ein entsprechender Nocken 60 angeordnet ist. Durch den
Nocken 60 werden die induktiven Widerstände der gleichfalls um
90' zueinander versetzt angeordneten Induktionsspulen 61, 62, die
mit den Induktionsspulen 43, 47 und einer entsprechenden Anzahl von festen induktiven
Widerständen zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, beim Umlauf des
Nockens periodisch geändert. Die variable Empfindlichkeit der Regeleinrichtung kann
bei dieser Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß beispielsweise
der Polschuh 63
der Induktionsspule 47, vor der das Schwert 45 a auf
und ab gleitet, eine abgeschrägte vordere Fläche 64 besitzt (Fig. 3). Mit
65, 66, 67, 68 sind die durch nicht dargestellte »Nullstromumformer« betätigten
Zu- und Ablaßventile für das Druckmittel in den anälen 56 und 57 bezeichnet.
Die
Wirkungsweise der Erfindung sei an Hand des in Fig. 4 dargestellten Schaltbildes
erläutert, in dem mit 69 ein Kurzschlußregler und mit 70 ein Kurzschlußventil
bezeichnet ist, das gegenläufige Ab-
weichungen vom Gleichlauf der Hubkolben
7 und 8
durch Austausch von Druckmittel zwischen den Hubzylindern
9 und 10 unmittelbar ausgleicht. In die Nullstrecken der aus den Regelwiderständen
19, 22 bzw. 20, 23 und den Festwiderständen 33, 35 bzw. 34,
36
gebildeten und von der Stromquelle 21 gespeisten Meßbrücken sind die Nullstronrumformer
37, 38 eingeschaltet. Bei Gleichlauf von Hubkolben und Drehkolben ist die
Spannung in den Nullzweigen gleich Null, bei Abweichung vom Gleichlauf tritt eine
Spannung in den Nullzweigen auf, die in dem Nullspannungsumformer 37, 38
zur Schaltung der elektrisch betätigten Zu- oder Ablaßventile 39, 40 bzw.
41, 42 benutzt werden.
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Wie bereits erwähnt, wird die variable Empfindlichkeit bei Verwendung
Ohmscher Widerstände gemäß der vorliegenden Erfindung durch geeignete Dimensionierung
der regelbaren Widerstände 19, 22 bzw. 20, 23 erreicht. Bei Verwendung
von induktiven Widerständen wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, kann
die variable Empfindlichkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht
werden, daß bei Verwendung von Ringspulenaufnehmern das mit dem hin- und hergehenden
Kolben verbundene Schwert beispielsweise veränderlichen Querschnitt hat, z. B. konisch
ausgebildet ist. Es kann aber auch, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, die
variable Empfindlichkeit der Regeleinrichtung dadurch herbeigeführt werden, daß
der Luftspalt zwischen einem Hufeisenaufnehmer und dem mit dem hin- und hergehenden
Kolben verbundenen Schwert während des Hin- und Herganges veränderlich ist. Es muß
lediglich dafür gesorgt werden, daß die Anordnung und Ausbildung der in die Aufnehmer
eintauchenden Stäbe oder Scheiben derart ist, daß bei richtiger Zuordnung von Hubkolben
und Drehkolben der induktive Widerstand des vom Hubkolben beeinflußten Aufnehmers
zu jedem Zeitpunkt gleich dem des zugehörigen, vom Drehkolben beeinflußten Aufnehmers
ist.
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Gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung wird bei Verwendung von
Zu- und Ablaßventilen zum Speisen des hydrostatischen Triebwerks mit Druckflüssigkeit
bzw. zum Ablassen von Druckflüssigkeiten zweckmäßig der Hub des Ventils der Stärke
des Regelimpulses angepaßt, und zwar in der Weise, daß bei großen Regelimpulsen,
d. h. bei großer Ab-
weichung der Stellung des Hubkolbens von der Stellung
des Drehkolbens, ein großer Ventilquerschnitt freigegeben wird, während bei kleinem
Regelimpuls nur eine kleine Öffnung des Ventils erfolgt. Bei Verwendung von Zu-
und Ablaßventilen mit konstantem Hub ist es vorteilhaft, die Stärke des Regelimpulses
auf elektrischem Wege in eine entsprechende Impulsdauer umzuformen, so daß einem
starken Regellmpuls eine entsprechend lange Öffnungszeit des Ventils zugeordnet
ist.
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Man kann auch besonders, wenn im Bereich des oberen Totpunktes der
Hubkolben der öldruck zu hoch ist, den Zuspeiseimpuls auf elektrischem Wege so verzögern,
daß die Zuspeisung erst bei niedrigerem Druck erfolgt; die gewisse Verzögerung der
Regelung, die hierbei in Kauf genommen wird, führt nur dazu, daß der Hubkolben den
oberen Totpunkt nicht ganz erreicht. Das kann aber ohne weiteres in Kauf genommen
werden. Wenn im Bereich des oberen Totpunktes des Hubkolbens Druckmittel abgelassen
werden muß, so kann dies ohne Verzögerung geschehen, so daß ein überschreiten des
oberen Totpunktes durch den Hubkolben nicht erfolgt.