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Hydraulischer Drehzahlregler Die Erfindung bezieht sich auf einen
hydraulischen Drehzahlregler für Kraftmaschinen, der über einen Servomotor die Drehzahl
der Kraftmaschine beeinflußt und bei dem ein unter der Wirkung der Fliehkraft radial
verschiebbares Ventilelement für den Abschluß einer radialen, unter dem gleichen
hydraulischen Druck wie der Servomotor stehenden Öffnung vorgesehen ist.
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Bei einem solchen bekannten Drehzahlregler handelt es sich um ein
hydraulisches Drehzahlmeßwerk, dessen drehzahlproportionaler Druck erst durch Druckregler,
Wandler, Steuerschieber u. dgl. in eine brauchbare Größenordnung umgesetzt werden
muß. Die Kennlinie des bekannten Reglers, bei dem der Druckverlauf über dem Sollwert
(Drehzahl) aufgetragen ist, zeigt einen solchen Verlauf, daß bei einer Nenndrehzahl
und einem vorgegebenen P-Bereich eine sehr kleine Druckänderung ausgesteuert wird.
Diese geringe Druckänderung kann nur als Meßwert für entsprechende Umformer dienen.
Zum anderen ist dieser kleine Wert sehr störanfällig. Ein weiterer Nachteil des
bekannten Reglers besteht darin, daß die Kennlinie nicht verändert bzw. zur Drehzahl
nicht phasenverschoben werden kann und somit innerhalb des vermeintlichen Reglers
keine Drehzahlverstellung zuläßt. Auch ermöglicht die bekannte Vorrichtung keine
P-Bereich-Verstellung, und die für einen modernen Regler erforderliche Nullpunktunterdrückung
ist ebenfalls nicht vorhanden, so daß das Arbeitsvermögen des Reglers nicht bei
jeder beliebigen Drehzahl innerhalb des vorgegebenen P-Bereiches voll ausgenutzt
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die der bekannten Vorrichtung anhaftenden
Nachteile zu vermeiden und insbesondere einen solchen Regler zu schaffen, der ohne
nachgeschaltete Druckregler, Wandler u. dgl. in der Lage ist, einen drehzahlproportionalen
Druck zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ventilelement
in einem sich etwa radial erstreckenden Kanal eines auf einer von der Kraftmaschine
angetriebenen Welle sitzenden Körpers angeordnet ist, und daß seine radial auswärts
liegende Seite unter einem einstellbaren hydraulischen Druck steht, der das Ventilelement
entgegen der Wirkung der Fliehkraft gegen die unter Druck stehende öffnung preßt.
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Der Drehzahlregler gemäß der Erfindung vereint alle notwendigen Aggregate
zur Drehzahlregelung, so daß keine zusätzlichen Umformergeräte erforderlich sind.
Der ausgesteuerte oder modellierte Druck des Reglers bewegt sich nur innerhalb der
zugelasseneu Proportionalität zwischen maximalem Druck, der durch die Druckölversorgung
vorgegeben wird, und dem Druck Null. Hieraus ergibt sich, daß der Regler die Charakteristik
bekannter fesselgefederter Drehzahlregler beherrscht.
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Zweckmäßig wird das unter Fliehkraft stehende Ventilelement als Kugel
ausgebildet, die in dem sich etwa radial erstreckenden Kanal beweglich ist. Gemäß
einer abgewandelten Ausführungsform kann das Ventilelement jedoch auch als Membran
ausgebildet sein, die senkrecht zur radialen Richtung des gedrehten Körpers angeordnet
ist und unter Fliehkraftwirkung steht.
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Vorzugsweise stammt der hydraulische Druck zu beiden Seiten des Ventilelementes
,aus einer einzigen hydraulischen Druckquelle.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird darin gesehen,
daß der Proportionalitätsgrad des Reglers durch ein Einstellventil zwischen der
Zuleitung zur radialen äußeren und derjenigen zur inneren Seite des Ventilelementes
eingestellt wird.
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Zur Handverstellung der Drehzahlregelung ist ein Ablaßventil mit Handrad
in der Zuleitung zu dem radialen äußeren Druckraum des Ventilelementes vorgesehen.
Auf diese Weise wird eine hydraulische Drehzahlverstellung erreicht, welche es ermöglicht,
die Nenndrehzahl in weiten Grenzen zu verstellen. Diese Verstellung kann an einem
beliebigen Ort von der zu regelnden Kraftmaschine entfernt installiert und- bedient
werden.
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Um bei plötzlicher Beschleunigung oder Verzögerung der Drehzahl die
entsprechende Stellgeschwindigkeit der Steuerorgane zu erzielen, ist der Regler
mit einem Beschleunigungsglied ausgerüstet, welches unabhängig von der Absolutdrehzahl
bei plötzlicher Drehzahlbeschleunigung oder -verzögerung eine gleichsinnige Funktion
wie der Drehzahlregler zusätzlich zu diesem ausübt. Zu -diesem Zweck weist
der
das Ventilelement enthaltende Drehkörper ein weiteres, um eine zu seiner Drehachse
parallele Achse verschwenkbares Fliehgewicht auf, welches bei konstanter Drehzahl
radial eingestellt ist und bei Beschleunigung oder Verzögerung des Drehkörpers die
radiale Richtung verläßt, um einen Druckablaß zu steuern, durch den der Druck an
der radialen Öffnung an der inneren Seite des Ventilelementes verstellt wird.
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Vordruck- und Viskositätsänderungen des Druckmediums werden von dem
Regler kompensiert, so daß derartige Störgrößen auf die Regelgenauigkeit unwirksam
bleiben. Der Regler ist so aufgebaut, daß mit zunehmender Drehzahl der Steueröldruck
.absinkt, also auch bei aufkommenden Undichtigkeiten an den Dichtlagern die zu regelnde
Kraftmaschine stillgesetzt wird.
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Das von Hand verstellbare Ablaßventil kann mit dem Einstellventil
zur Verstellung des Proportionalitätsgrades gekuppelt sein. Hierdurch wird ermöglicht,
daß der Proportionalitätsgrad über den ganzen Drehzahlverstellbereich konstant bleibt.
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Der Regler gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung
beispielsweise erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Drehzahlregler
im Schnitt.
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F i g. 2 die Ausbildung des auf Beschleunigung oder Verzögerung ansprechenden
Fliehgewichts, F i g. 3 und 4 das Fliehgewicht nach F i g. 3 in verschiedenen Stellungen.
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In den beiden Lagern 2 und 3 ist ein Körper 1 drehbeweglich gelagert
und wird von der zu regeln den Kraftmaschine angetrieben. In einem radialen Kanal
4 ist eine gehärtete Stahlkugel 5 mit kleinem, radialem Spiel zum Kanal 4 eingebaut.
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Von einer nicht gezeigten Ölversorgung kommt Steueröl in die Steuerölleitung
21 und wird von einem Überströmventil22 auf konstantem Druck gehalten. Über die
Drosselblende 23 wird bei zunächst geschlossenem Ventil 25 dem Ringkanal
10 von der Bohrung 9 im Dichtlager 3 Drucköl zugeführt und über den Kanal
11 in den Kanal 4 geleitet. Dieses Drucköl kann durch das Ablaufventil 8 auf jeden
erforderlichen Druck eingestellt werden und wird als Verstellöl bezeichnet.
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Das eigentliche Kraftöl wird der zentrischen Reglerbohrung 15 von
der Drosselblende 24 über die Lagerbohrung 12 und den Ringkanal 13 durch die Bohrung
14 zugeführt. Ein Servozylinder 26 wird von diesem Kraftöl gegen eine Feder 27 proportional
zum Öldruck hubbetätigt. In seiner Bohrung ist der Servozylinder 26 ,als Gleitlager
ausgebildet, für welches das Kraftöl zugleich als Schmieröl dient. Der Servozylinder
26 selbst ist nicht drehbeweglich.
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Bei Drehzahl 0 wird die Kugel 5 vom Verstellöldruck im Kanal 4 gegen
die Bohrung 16 gedrückt und sperrt diese ab. Dabei wird bewirkt, daß der Kraftöldruck
in der Bohrung 15 auf seinen maximalen Wert ansteigt und den Servozylinder 26 gegen
die Feder 27 in die eine Endlage, die als Öffnungslage bezeichnet werden soll, drückt.
Bei Drehung des Körpers 1 wird sich die schwimmend im Öl gelagerte Kugel 5 durch
ihre Fliehkraft plus dem Kraftöldruck entsprechend der Fläche der Bohrung 16 gegen
den Verstellöldruck im Kanal 4 auswiegen und bei Zunahme der Drehzahl vom Sitz der
Bohrung 16 abheben. Mit zunehmendem Hub der Kugel 5 wird der öffnungsquerschnitt
der Bohrung 16 vergrößert und der Druck in der Bohrung 15 abgesenkt. Hierbei
bewegt sich der Servozylinder 26, gedrückt von der Feder 27, in die dargestellte
Schließstellung. Bei diesem Vorgang verhalten sich der Hub des Servozylinders 26
und der Kraftöldruck in der Bohrung 15 genau proportional. Bei abfallender Drehzahl
werden Drücke und Stellbewegungen umgekehrt. Das abgesteuerte Kraftöl von der Bohrung
16 wird über einen Ringraum 7 und mehrere auf den Umfang des Kanals 4 verteilten
Bohrungen 6 ins Freie geleitet.
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Die Statik des Reglers bzw. der Kugel 5 wird bewirkt durch die innerhalb
der Proportionalität des Reglers veränderlichen Kraftöldrücke in der Bohrung 16.
Vom Servozylinder 26 werden dessen Stellbewegungen .auf nicht gezeigte Steuerorgane,
wie Ventile, Schieber u. dgl., zur Regelung der Kraftstoffeinspeisung in die Kraftmaschine
weitergeleitet.
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Plötzliche Belastungsänderungen der Kraftmaschine erfordern kurze
Stellzeiten der Stellorgane. Diese können bei hydraulischen Drehzahlreglern nur
durch Beschleunigungsglieder erreicht werden. In F i g. 2, 3 und 4 werden die Stehbewegungen
eines Beschleunigungsgliedes 18 gezeigt. Das B-Glied 18 ist um einen Stift 19, der
zum Zentrum 30 etwas versetzt angebracht ist, drehbeweglich gelagert. Bei einer
konstanten Drehzahl wird das B-Glied 18 durch die Fliehkraft radial ausgerichtet
und nimmt die Stellung nach F i g. 2 ein. Hierbei können aus dem Raum 15 über die
Bohrung 17 kleine Ölmengen durch den Spalt 28 ins Freie treten. Bei einer plötzlichen
Drehzahlbeschleunigung der Kraftmaschine und somit des Reglers wird sich das B-Glied
18 infolge seiner Massenträgheit wie in F i g. 4 verhalten. Die Steuerkante 29 öffnet
einen großen Querschnitt der Bohrung 17 und läßt plötzlich viel Öl aus dem Druckraum
15 abfließen. Entsprechend schnell wird die Feder 27 den Servozylinder 26 in die
Schließlage drücken, ohne daß die Kraftmaschine eine merkliche Drehzahlerhöhung
erfährt. Plötzliche Verzögerungen der Drehzahl von Kraftmaschine und Regler bewirken
eine B-Gliedstellung wie in F i g. 3. Der Drosselspalt 28 wird gegenüber der Stellung
in F i g. 4 verkleinert, der Öldruck im Raum 15 wird gleichzeitig erhöht und bewirkt
eine Bewegung des Servozylinders 26 gegen die Feder 27 in Öffnungsstellung. Durch
diese Einrichtung werden Stellzeiten erreicht, die bisher nur von mechanischen,
reibungsarmen Drehzahlreglern erreicht wurden.
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Die Drehzahlverstelleinrichtung besteht aus einem Nadelventil 8, über
welches der Verstellöldruck im Kanal 4 angehoben bzw. abgesenkt werden kann und
das Drehzahlverstellungen über weite Bereiche ermöglicht.
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Die Verstellung bzw. Einstellung des Proportionalitätsgrades erfolgt
über das Ventil 25. Dieses Ventil verbindet über kleine einstellbare Drosselquerschnitte
das Verstellöl mit dem Kraftöl. Da sich, wie oben schon beschrieben, der Kraftöldruck
innerhalb der Proportionalität zwischen einem maximalen Druck und einem Druck 0
bewegt, der Verstellöldruck jedoch für jede Drehzahl eine konstante Größe einnimmt,
kann diese Größe durch einen Bypaß zum Kraftöl proportional zum ausgesteuerten Kraftöldruck
verändert werden. Dies bedeutet, daß bei geöffnetem Ventil 25 mit steigendem Kraftöldruck
auch der Verstellöldruck entsprechend angehoben wird. Bei fallendem Kraftöldruck
senkt sich auch der Verstellöldruck
entsprechend ab. Dadurch, daß
sich diese beiden Drücke gleichsinnig bewegen, kann die Proportionalität, die eine
bestimmte Ausgangsgröße bei maximaler Drehzahl hat, beliebig verkleinert werden.
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Werden die beiden Ventile 8 und 25 für ihre Betätigung zusammengekuppelt,
so wird bei Verstellung der Drehzahl gleichzeitig der P-Grad verändert. Diese Maßnahme
ermöglicht über den ganzen Drehzahlverstellbereich einen konstant bleibenden Proportionalitätsgrad.
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An Stelle der Kugel 5 kann z. B. auch eine Membran verwendet werden,
auf die von einer Seite der Verstellöldruck einwirkt, während sie mit der anderen
Seite den Durchtrittsquerschnitt der Öffnung 6 regelt.