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Einrichtung zur Steuerung des Druckes in Druckmittelbehältern, insbesondere
Bremszylindem In Steuerkammern mit einstellbarem Innendruck, Brernszylindern, Membransteuerkammem
und anderen Druckmittelverbrauchern, muß zur Einstel-lung und zur Regelung
bzw. Steuerung des innen herrschenden Druckes die Druckmittelmenge konstant gehalten
oder in der einen oder anderen Richtung verändert werden. Dazu stehen die Steuerkammern
über Drosselstellen (Ventile) einmal mit einem über- oder Unterdruckvorrat und zum
anderen mit der Atmosphäre in Verbindung. Im allgemeinen werden die Steuerkammern
zwischen ein Druckluftnetz -mit unter überdruck stehender Luft und die Atmosphäre
geschaltet. Der Druck in der Steuerkammer läßt sich dabeidurch Wahl der öffnungsquerschnitte
des Ein- und Auslaßventils auf jeden beliebigen Wert zwischen Netz- und Atmosphärendruck
einstellen.
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Wenn man einmal von der Verwendung von selbsttätigen Druckreglem absieht,
so benötigt man zum Aufrechterhalten bzw. zum Ausregeln des Druckes in einer Steuerkammer
eine n ständigen Druckmitteldurchfluß, so daß einerseits beim Sperren des Einlaßventils
das weiterhin durch das Auslaßventil abströmende Druckmittel eine Verminderung des
Drukkes bewirken kann, während andererseits beim Ab-
sperren des Auslaßventils
abhängig von dem Öff-
nungsquerschnitt des Einlaßventils der Druck in der
Steuerkammer ansteigt. Es ist bei derartig aufgebauten Steuerkammern nicht möglich,
zur Vermeidung von Druckmittelverlusten (ausströmendes Druckmittel) beide Ventile
oder mindestens eins zu schließen, da in diesem Fall der Innen-druck nicht ohne
Regelung eingehalten werden kann. Vielmehr ist es zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen
Druckes im Behälter immer erforderlich, daß eine kleine Druckmittelmenge den Behälter
durchströmt. Wenn man jedoch z. B. den Öffnungsquerschnitt des Auslaßventils sehr
klein wählt, so wird sich beim Schließen des Einlaßventils der in der Steuerkammer
vorhandene Druck nur sehr langsam abbauen. Zur schnellen Druckregelung sind also
große Querschnitte für das Ein- bzw. Auslaßventil erforderlich. Man muß also einen
Kompromiß schließen zwischen wirtschaftlichem Druckmittelverbrauch einerseits und
einer schnellen Steuerbarkeit des Innendruckes andererseits. Beide Forderungen lassen
sich - ohne die bereits erwähnten selbsttätig arbeitenden Druckregler
- nicht gleichzeitig erfüllen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die abströmende Druckmittelmenge
möglichst gering zu halten und trotzdem eine schnelle Druckänderung zu ermöglichen.
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Sie bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung des Druckes in
einer zwischen zwei Drosselstellen angeordneten Steuerkammer von Druckgebern oder
Bremszylindern mit Hilfe eines Steuergliedes.
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Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Auf-
gabe besteht
darin, daß mindestens eine der Drosselstellen in unmittelbarer Abhängigkeit von
der Stellung des Steuergliedes (vom Sollwert) und zusätzlich von der Verstellgeschwindigkeit
des Steuergliedes (von der Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes) einstellbar
ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, deren Verschlußstück
in zwei Richtungen verstellbar ,ist. Durch Bewegung in der einen Richtung wird dabei
eine Grobregulierung und durch Bewegung in der anderen Richtung eine Feinregulierung
der Fläche einer Ausflußöffnung vorgenommen. Ein Zusammenhang mitderder Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe besteht hierbei nicht.
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Das gleiche gilt auch für ein weiter bekanntes Drosselventil mit selbsttätig
in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße des zu steuernden Mediums einstellbareni
Drosselkörper für hydraulische Steuerungen. Bei !dieser bekannten Anordnung sollen
durch Temperaturschwankungen des Druckinittels bedingte Viskositätsänderungen :ausgeglichen
werden.
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Es ist weiterhin allgemein bekannt, daß Ventile durch Steuereinrichtungen
unmittelbar oder abhängig von einem bestimmten einstellbaren Gasdruck beeinflußt
werden können. Bei einer Ventilanordnung mit einer hydraulischen Servosteuerung
eines Ventils
kann beim Schließen des Ventils ein unter überdruck
stehendes Druckmittel durch eine offene Leitung schnell ausströmen, während durch
den Ventilsitz selbst diese Leitung kurz vor Erreichen der Endstellung geschlossen
wird, so daß weiteres Druckmittel nur durch eine zweite, mit einem Drosselventil
versehene Leitung weiter entweichen kann. Damit wird erreicht,daßdie Bewegungsgeschwindigkeit
des Ventils kurz vor Erreichen der Endstellung stark abgebremst wird. Eine Verminderung
von Druckmittelverlusten bei möglicher schneller Änderung des Innendruckes ist auch
hier nicht vorgesehen oder beabsichtigt.
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Durch die weg- -und geschwindigkzitsabhängige Verstellung während
der Betätigung des Steuergliedes wird die Einrichtung zusätzlich geöffnet ibzw.
geschlossen und die Druckänderung im Verbraucher auf diese Weise beschleunigt. Nach
Beendigung des Druckänderungsvorganges verbleibt für den Druckmittelfluß nur der
verhältnismäßig kleine, zur Aufrechterhaltung des Druckes im Behälter erforderliche
Durchfluß,querschnitt, so daß der Druckluftverbrauch auf ein Minimum reduzierbar
ist.
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Für die Ausführung der neuen Einrichtung sind vor allem drei Anwendungsfälle
zu unterscheiden: Verwendung als Einlaßventil, Verwendung als Auslaßventil und Verwendung
als Ein- und Auslaßventil in Kombination von zwei Ventilen.
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Bei der Ausführung der neuen Einrichtung als Einlaßventil ist das
zu steuernde Ventil zwischen die Druckmittelquelle und den Druckbehälter
- beispielsweise einen Bremszylinder - geschaltet, der über einefest
eingestellte Drossel mit der Außenluft in Verbindung steht. Eine schnelle Betätigung
des Steuergliedes im Sinne einer Druckerhöhung führt in dem Druckbehälter infolge
des Wirksamwerdens der Differenziereinrichtung (Vorhaltewirkung) zu einer entsprechend
schnellen Drucksteigerung, dagegen führt eine schnelle Betätigung des Steuergliedes
im Sinne einer Druckerniedrigung nicht zu einer ebenso schnellen Reduzierung des
Druckes im Behälter, da der Auslaß des Drücknüttels von der fest eingestellten Drossel
bestimmt wird. Diese Anwendung der neuen Einrichtung ist deshälb geeignet für Anlagen,
.in denen eine plötzliche Verringerung der Druckwirkung - beispielsweise
der Bremskraft von Druckluftbremsen - verhindert werden soll.
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Bei Vertauschung von Ventil und Drossel gegeneinander tritt die umgekehrte
Wirkung ein. Der Druck im Behälter spricht auf Betätigung des Steuer-,.,liedes im
Sinne einer Druckerniedrigung im Be hälter schnell an, während bei Druckerhöhungen
die Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes im Behälter durch die iin Einlaß liegende
Drossel bestimmt wird.
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Zur näheren Erläuterung der neuen Einrichtung wird auf die Zeichnung
verwiesen, in der die Kombination von zwei Ventilen zu einem Ein, und Auslaßventil
schematisch dargestellt ist. In der Zeichnung ist die Einrichtung als Schieber ausgeführt,
da bei diesem die Wirkungsweise besonders deutlich hervortritt. Es zeigt F i
g. 1 -ein Ein- und Auslaßventil in drei Ansichten, F i g. 2 die Einrichtung
mit Steuerglied und übertragungseinrichtung zur Steuerung des Ventils, F i
g. 3 die Einrichtung nach F i g. 2 in zwei Bötriebs- und zwei übergangsstellungen,
- F i g. 4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der neuen Einrichtung
mit vereinfachter übertragungseinrichtung und F i g. 5 den Verlauf des Druckes
im Druckmittelbehälter in Abhängigkeit von der Stellung des Steuergliedes.
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In F i g. 1 ist ein Ein- und Auslaßventil dargestellt, wobei
das linke Ventil als Einlaßventil E und das rechte Ventil als Auslaßventil
A vorgesehen ist. Der Schieber 14 liegt zwischen den beiden feststehenden
und im Ausführungsbeispiel gleich ausgebildeten Gehäusehälften 11 des kombinierten
Ein- und Auslaßventils. Die öffnung 12 für das Einlaßventil und die öffnung
13 für das Auslaßventil in dem vorderen Gehäuseteil 11 decken sich
genau mit den (nicht näher bezeichneten) öffnungen des hinteren. Gehäuseteiles
11.
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In F i g. 2 ist der vordere, dem Beschauer zugewandte Gehäuseteil
11 entfernt, so daß vor dem hinteren Gehäuseteil 11 der Schleber 14
mit seinen Schieberöffnungen 15 und 16 zu erkennen ist.
- Die vom Schieber 14 verdeckten Kanten und öffnungejq des hinteren Gehäuseteiles
11 sind gestrichelt eingezeichnet. In dergezeichneten Schieberstellung
- Einlaßventil offen - stellt die schraffierte Fläche 17 den
wirksamen Durchflußquerschnitt des Einlaßventils E
dar. Dieser Dürchflußquerschintt
17 wird gebildet durch die,9ich teilweise überdeckenden öffnungen 12 ,und
15 in Gehäuseteil 11 und Schieber 14. Auf der Seite des Auslaßventils
A besteht keine überdeckung der Durdhläßöffnungen 13 und
16 von Gehäuse 11
und Schieber 14, so daß der Auslaß gesperrt ist.
Zur Bewegung in horizontaler und vertikaler Richtung ist der Schieber 14 über Elektromagnete
4, 5 und 6,
Verstärker 7 und 8 sowie einen Differenziertransformator
3 mit dem Steuerglied 2 verbunden.
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Die Magnetisierungswicklungen der Elektromagnete 4, 5 und
6 sind mit den Bezugszahlen 41, 51
und 61 versehen. Die
beweglichen Anker 52 und. 62
der Elektromagnete 5 und
6 bewirken über Zwischenglieder 53 und 63 wahlweise die Bewegung
des Schiebers 14 entgegen den Kräften von Federn 54 und 64 nach oben oder unten
aus seiner in der Figur dargestellten Ruhelage. Größe und Richtung der von den Elektromagneten
5 und 6 bewirkten Verstellung des Schiebers 14 hängen ab von Größe
und Richtung der Verstellgeschwindigkeit des Steuergliedes 2. Während der Bewegung
des Steuergliedes 2 von II nach I wird der Schieber 14 nach oben bewegt. Bei Bewegung
des Steuergliedes 2 aus der Lage I nach II wird der Steuerschieber 14 aus seiner
Ruhelage nach unten ausgelenkt.
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Der bewegliche Anker 42 des Elektromagnets 4 zieht über ein Zwischenglied
43 den Schieber 14 entgegen der Kraft der Feder 44 um so weiter nach rechts,
je weiterdas Steuerglied 2 nach rechts bewegt wird.
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Das Steuerglied 2 ist als einfacher Hebel zur Verstellung eines Schleifkontaktes
22 auf einem Widerstand 21 därgestellt. Parallel zum Widerstand 21 ist eine Stromquelle
24 geschaltet. In der linken Endlage I des Steuergliedes 2 ist das Einlaßventil
E geöffnet und in der rechten Endlage II das Auslaßventil A.
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Durch Verstellung des Steuergliedes 2 wird die Größe des ;den Verstärker
7 und die Primärwicklung 31 des Differenziertransformators
3 durchfließenden Gleichstromes geändert bzw. die an diesen Gliedern
liegende
Gleichspannung. Die Größe des in der Sekundärwicklung 32 induzierten Gleichstromes
hängt von der Verstellgeschwindigkeit des Steuergliedes 2 ab und die Richtung von
der Bewegungsrichtung des Steuergliedes 2. Je nach der Richtung des in der Sekundärwicklung
32 fließenden Stromes wird über den Verstärker 8 einer der beiden
Elektromagnete 5 oder 6 erregt.
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In den F i g. 3 a bis 3 d sind zur Erläuterung der Wirkungsweise
der neuen Einrichtung zwei fest einstellbare Betriebszustände a, c und zwei
übergangsstellungen b, d des Schiebers 14 dargestellt. Das Einlaßventil
ist wieder mit E und das Auslaßventil mit A
bezeichnet. Die
im Uhrzeigersinn zwischen den einzelnen Figureneingetragenen Pfeile kennzeichnen
die sich zeitlich nacheinander ergebenden Schieberstelhingen beim Übergang von F
i g. 3 a - Einlaßventil E geöffnet - über die F i
g. 3 b nach F i g. 3 c -Einlaßventil E und Auslaßventil
A teilweise geöffnet - und über die F i g. 3d wieder nach a
zurück.
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F i g. 3 #a zeigt die Schieberstellung inder Stellung
1
des Steuergliedes 2 nach F i g. 2. Die Schieberstellung nach F i
g-. 3 c gehört zu einer Mittelstellung des Steuergliedes 2 zwischen den beiden
Stellungen 1
und 11 in F i g. 2. Bei einer schnellen Betätigung
des Steuergliedes 2 im Sinne einer Druckerniedrigung (in F i g. 2 nach rechts)
geht der Schieber 14 unter der Vorhaltewirkung des Differenziertransformators
3 zunächst in die Stellung nach F i g. 3 b. In dieser Stellung ist
das Einlaßventil E ganz geschlossen, während das Auslaßventil A den
relativ großen Auslaßquerschnitt 18 aufweist. Die Druckmittelzufuhr wird
in dieser Übergangsstellung des Schiebers 14 somit ganz gesperrt, so daß sich der
Druck im Behälter sehr schnell verringert. Aus #dieser übergangsstellung nach F
i g. 3 b geht der Schieber selbsttätig nach einer Übergangszeit in die der
Stellung des Steuergliedes 2 entsprechende Betriebsstellung nach F i g. 3
c. Die Übergangszeit kann durch Änderungen am Verstärker 8 durch Dämpfungsglieder
an den Elektromagneten5 und 6 oder durch pneum#atische Mlfseinrichtungen
am Schieber 14 verlängert werden. Nach Ablauf der Übergangszeit bleibt der Schieber
14 in Ader Stellung nach F i g. 3 c, die der Mittelstellung des Steuergliedes
2 zwischen den Stellungen 1
,und 11 (mittlerer Druck im Behälter) entspricht.
In F i g. 3 c weisen Ein- und Auslaßventil in dieser Stellung gleiche Durchflußquerschnitte
17 und 18 auf.
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Bei einer schnellen Betätigung des Steuergliedes 2 im Sinne einer
Erhöhung des Druckes im Behälter auf den Maximaldruck, d. h. im Sinne einer
öffnung des Einlaßventils E (Steuergliedes 2 in Stellung 1)
Joleht
der Schieber 14 in die übergangsstellung nach F i g. 3d, in der das Einlaßventil
ganz geöffnet und das Auslaßventil A geschlossen ist. Nach Ablauf der Übergangszeit
befindet sich der Schieber 14 in der Stellung nach F i g. 3 a.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel verhält sich der Durchlaßquerschnitt
des Auslaßventils A im Maxinium. der übergangsstellung (F i g. 3 b)
zu dem in konstanter Betriebsstellung (F i g. 3 e) etwa wie 2 : 1.
Dieses
Verhältnis kann - etwa durch Veränderung der Federn 54 und 64 - nahezu
beliebig gewählt werden. Ebenso kann die Querschnittsform der Durchlaßöffnungen
12 und 15 bzw. 17 des Einlaßventils E von der der Durchlaßöffnungen
13 und 16
bzw. 18 des Auslaßventils A abweichen. Dadurch
ist eine Anpassung an konstante Leckverluste des Druckmittelverbrauchers wie auch
die Bildung eines beliebigen Zusammenhanges zwischen Stellung des Steuergliedes
und Druck im Druckmittelbehälter möglich.
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In F i g. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der neuen
Ventilanordnung in der Stellung »Einlaßventil E geöffnet« dargestellt. Sie
unterscheidet sich von der Ausfährungsforin nach F i g. 2 bzw.
3 im
wesentlichen dadurch, daß -die öffnungen 15 und
16
im Schieber 14 in der durch den Elektromagnet 4 gegebenen Bewegungsrichtung
nicht seitlich gegeneinander versetzt, sondern in dieser Richtung genau hintereinander
angeordnet sind. Auf diese Weise wird die geschwindigkeitsabhängige Verstellung
des Schiebers 14 (in der Zeichnung in vertikaler Richtung) sowohl bei Druckerhöhungen
als auch bei Druckerniedrigungen von einem einzigen Elektromagnet 9 bewältigt.
Dieser bewegt den Schieber 14 über seinen Anker 92 und das Zwischenglied
93 abhängig von Ader Größe, aber unabhängig von der Richtung der Verstellgeschwindigkeit
des Steuergliedes 2 während einer vorgebbaren Übergangszeit entgegen der Kraft der
Feder 94 nach unten. Die Wicklung 91 des Elektromagnets 9 ist zu diesem
Zweck mit ihren Klemmen 95 und 96 beispielsweise an beide Ausgänge
des Verstärkers 8 nach F i g. 2 angeschlossen. über die Klemmen 45
und 46 steht der Elektromaa i g. 2 in Verbin-"net 4 mit dem Verstärker
7 nach F dung. In der Wirkungsweise unterscheidet sich die Einrichtung nach
F i g. 4 von derjenigen nach F i g. 2 bzw. 3 dadurch, daß bei
der Einstellung eines bestimmten stationären Verhältnisses vom Einlaßquerschnitt
17 zum Auslaßquersch#,nitt 18 dieses Verhältnis auch während der geschwindigkeitsabhängigen
Verstellung des Schiebers 14 konstant bleibt. Ab-
hängig von der Verstellgeschwindigkeit
des in F i g. 4 nicht dargestellten Steuergliedes 2 wird über die Spule
91 der Anker 92 angezogen, so daß sich der Schieber 14 nach unten
verschiebt und dabei den Einlaß- und den Auslaßquerschnitt vergrößert. Da beide
Querschnitte im gleichen Verhältnis vergrößert werden, ändert sich das Querschnittsverhältnis
von Einlaß- und Auslaßöffnung nicht, so daß die Stellung des Ankers 42 allein den
Drucksollwert bestimmt, während die Stellung des Ankers 92 für den Druckmittelverbrauch
in der Steuerkammer und damit für die mögliche Änderungsgeschwindigkeit des Steuerdruckes
verantwortlich ist.
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Eine Beeinflussung der Abhängigkeit des Drucksollwertes von der Stellung
des Steuergliedes 2 läßt sich erreichen, wenn für die öffnungen 15 und
16
im Schieber 14 und für die öffnungen 12 und 13 im Gehäuse
11 voneinander verschiedene Querschnitte gewählt werden. In diesem Falle
besteht keine Proportionalität mehr zwischen Schieberstellung und Drucksollwert.
In F i g. 5 a istder Drucksollwert P in Abhängigkeit von der Stellung des
Steuergliedes 2 zwischen den Endstellungen 1 und II für vier verschiedene
Ausfährungen a, b, c und d von Einlaß-und Auslaßquerschnitt
dargestellt. Die zu den Kurven gehören-den Einlaß- und Auslaßquerschnitte sind ausder
Tabelle in F i g. 5 b zu ersehen. Wie in F i g. 4 sind in dieser Tabelle
Form und Lage der Schieberöffnungen 15 und 16 sowie der Gehäuseöffnungen
12 und 13 den einzelnen Kurven zugeordnet. Die Kurve a mit den entsprechenden
Querschnitten eignet sich z. B. besonders für die Steuerung des Drukkes
in
Bremszylindem, bei denen der dem Knickpunkt entsprechende Druck gleich dem Einfalldruck
der Bremse sein k
Abweichend von# der im Ausführungsbeispiel gewählten Darstellung
als Schieber istder Erfindungsgedankeauch beianderen Ventilformen zu verwirklichen.
Beispielsweise kann hierzu,einum eine Achse verschiebbares undum diese Achse drehbares
Hahnküken vorgesehen sein. Die Drehung des Kükens kann dann z. B. proportional mitder
Verstellung des Steuergliedes 2 erfolgen und die Verschiebung proportional mit der
Verstellgesähwindigkeit des Steuergliedes 2, oder umgekehrt.
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Es ist auch möglich, das Verschlußstück eines gewöhnlichen Ventils
mit den beiden bei schneller Betätigung des Steuergliedes 2 auftretenden Steuereinflüssen
zu- beaufschlagen. In diesem Fall wird dem Verschlußstück außer der Steuerwirkung,
die der Stellungdes Steuergliedes 2 proportional ist, noch die Steuerwirkung überlagert,
die der Verstellgeschwindigkeit des Steuergliedes proportional ist. Es ist dadurch
möglich, den Durchlaßquerschnitt des Ventils während einer übergangszeit zu vergrößern
oder zu verringern.
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Andie Stelle der im Ausführungsbeispiel gebrachten Elektromagnete
4, 5 und 6 können auch andere Betätigungsglieder, wie Elektromotoren,
elektrische Wellen, Drehmelder od. dgl., treten. Um den zur Betätigung- erforderlichen
Leistungsbedarf zu verringern,'können in- den, beweglichen Verschlußstücken oder
Schiebern'Gegendruckkammem, Ausgleichsöffnungen oder ähnliche Hilfsmittel vorgesehen
werden, die den Druck des zu steuernden Druckmittels ausgleichen.
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Zur Vormeidung der Trägheit des Druckmittelflusses in längeren Rohrleitungen
werden die einzelnen Glieder des Ventils möglichst nahe beim Druckmittelbehälter
-aufgestellt oder mit diesem zu einer Baueinheit vereinigt. -