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Mechanischer Oszillator für Arbeitsdruckmittel Die Erfindung betrifft
einen mechanischen Oszillator für Arbeitsdruckmittel, der eine Verstärkerstufe und
einen Steueroszillator und eine Abnehmerkupplung aufweist, welche den Oszillator
und eine Steuerstufe des Verstärkers miteinander verbindet, um die Strömung eines
Steuerdruckmittels zur Steuerung der Strömung des Arbeitsdruckmittels zu verändern.
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Bekannte mechanische Oszillatoren für Arbeitsdruckmittel, die als
Analogverstärker oder als Digitalverstärker arbeiten können, weisen im allgemeinen
ein gesamtes Strömungssystem für Druckmittel auf, welches sowohl eine Leistungsverstärkung
erzeugt als auch Frequenzsteuersignale. Derartige Oszillatoren arbeiten jedoch nicht
zufriedenstellend, weil die dort verwendeten Strömungssysteme unstabil sind und
weil wesentliche Änderungen in der Schwingungsfrequenz bei Veränderung der Temperatur,
der der Oszillator ausgesetzt ist, oder bei Veränderungen des Druckes des zugeführten
Druckmittels auftreten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen
Oszillator zu schaffen, der frequenzstabil arbeitet.
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Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der Steueroszillator
ein mechanischer Resonanzfrequenzoszillator ist, daß die Abnehmerkupplungen Kammern
aufweisen, die Öffnungen haben, und daß die Kammern mit diesen Öffnungen am mechanischen
Resonanzfrequenzoszillator angeordnet sind.
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Durch die Verwendung eines mechanischen Resonanzfrequenzoszillators
werden die Instabilitäten ausgeschaltet, die die bisherigen Oszillatoren aufweisen.
In einfachster Weise kann durch die Erfindung der mechanische Resonanzfrequenzoszillator
mit dem Verstärker gekuppelt werden.
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Mit besonderem Vorteil kann der mechanische Resonanzfrequenzoszillator
eine Stimmgabel sein. Die mit Druckmitteln arbeitende Verstärkereinrichtung kann
eine Steuerverstärkerstufe und eine Treiberverstärkerstufe aufweisen, die in Kaskadenform
geschaltet sind, und die Strömung des Arbeitsdruckmittels in der Steuerverstärkerstufe
kann eine Steuerdruckmittelströmung in der Treiberverstärkerstufe bilden.
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Es kann auch zweckmäßig sein, daß der mechanische Resonanzfrequenzoszillator
eine Schwingblattfeder ist. Sowohl die Stimmgabel als auch die Blattfeder werden
derart ausgewählt, daß sie die gewünschten Resonanzfrequenzen haben. Es können Einrichtungen
vorgesehen sein, um die Resonanzfrequenzen zu verändern.
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Die Steuerverstärkerstufe und die Treiberverstärkerstufe können Analogverstärker
sein. Mit besonderem Vorteil kann die Steuerverstärkerstufe ein mit Druckmitteln
arbeitender Analogverstärker sein und die Treiberverstärkerstufe ein mit Druckmitteln
arbeitender Digitalverstärker.
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Die Anregung des mechanischen Steueroszillators kann in vorteilhafter
Weise derart erfolgen, daß ein Strahl eines Druckmittels als Erreger oder Treiber
dem mechanischen Oszillator zugeleitet wird, um mechanische Schwingungen einer vorbestimmten
Frequenz zu erzeugen.
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Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine Ansicht eines
mechanischen Oszillators für ein Arbeitsdruckmittel, F i g. 2 eine andere Ausführungsform
des Oszillators, F i g. 3 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Abnehmerkupplung,
F i g. 4 eine Einrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz einer mechanischen
Schwingeinrichtung, F i g. 5 eine andere Ausführungsform der Anregung für die mechanische
Schwingeinrichtung und F i g. 6 eine weitere Ausführungsform eines Verstärkers für
Arbeitsdruckmittel.
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Der in F i g.1 dargestellte mechanische Oszillator weist einen Verstärker
1 auf, der aus einer flachen
Platte besteht oder aus einer
Anzahl von übereinandergeschichteten flachen Lamellen, die aus einem nicht porösen,
festen Material, wie beispielsweise Metall, Glas, Kunststoff od. dgl., bestehen,
wobei in diesem Material Strömungskanäle für die Druckmittel ausgebildet sind. Die
Verstärkerstufe 1 ist zweistufig und weist eine Steuerstufe 2 auf und eine Treiberstufe
3. Beide Stufen sind Analogverstärker. Die Steuerstufe 2 weist einen Einlaß 4 für
ein Arbeitsdruckmittel auf. Aus dem dem Einlaß 4 zugeführten Arbeitsdruckmittel
wird durch eine Düse 5 ein Strahl gebildet. Arbeitsdruckmittelkanäle 6 und 7 dienen
zur Aufnahme dieses Strahles. Das von der Düse 5 abgestrahlte Arbeitsdruckmittel
ist normalerweise zwischen die Strömungskanäle 6 und 7 gerichtet. Es sind Steuerkanäle
8 und 9 vorgesehen, die mit Einlaßanschlüssen 10 und 11 verbunden sind. Die Steuerkanäle
8 und 9 enden in Düsen 12 und 13, die quer zur Düse 5 und auf entgegengesetzten
Seiten der Düse 5 angeordnet sind. Das von den Steuerkanälen 8 und 9 geführte Steuerdruckmittel
strömt durch die Düsen 12 und 13 hindurch, und auf diese Weise werden Strahlen gebildet,
die gegen gegenüberliegende Seiten des Arbeitsdruckmittels gerichtet werden.
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Bei einer Vergrößerung des von der Düse 12 ausgehenden Strahles gegenüber
dem von der Düse 13 ausgehenden wird der Arbeitsdruckmittelstrahl, der von der Düse
5 ausgeht, in den Kanal 7 abgelenkt. Wenn umgekehrt der von der Düse 13 ausgehende
Strahl vergrößert wird, so wird der Arbeitsdruckmittelstrahl in den Kanal 6 abgelenkt.
Ein Einschnitt 84 ist zwischen den Kanälen 6 und 7 angeordnet, um die Ablenkung
des Arbeitsdruckmittelstrahles zu verstärken. Öffnungen 14 und 15 ermöglichen einen
Druckausgleich in der Umgebung des Arbeitsdruckmittelstrahles und bilden für das
überschüssige Druckmittel Auslaßkanäle.
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Die Treiberverstärkerstufe 3 ist ein Analogverstärker, der einen Arbeitsdruckmitteleinlaß
16 hat. Aus dem dem Einlaß 16 zugeführten Arbeitsdruckmittel wird mittels einer
Düse 17 ein Strahl gebildet, der in einen der Kanäle 18 und 19 abgelenkt werden
kann. Steuerkanäle 20 und 21, die mit den Kanälen 6 und 7 der Analogverstärkerstufe
2 verbunden sind, enden in Düsen 22 und 23, die auf beiden Seiten der Düse 17 quer
zu dieser angeordnet sind. Das Arbeitsdruckmittel in den Kanälen 6 und 7 bildet
das Steuerdruckmittel in den Kanälen 20 und 21. Die Stufe 3 arbeitet wie die Stufe
2.
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Öffnungen 24 und 25 ermöglichen einen Druckausgleich und bilden
Abzugskanäle für überschüssiges Druckmittel. Die Arbeitsdruckmittel 18 und 19 enden
in den Auslaßanschlüssen 26 und 27 des Verstärkers 1.
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Der bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform verwendete mechanische
Steueroszillator weist eine Stimmgabel 28 mit vorbestimmter Resonanzfrequenz
auf, bei welcher die Ausgangsfrequenz des Verstärkers 1 gehalten werden soll. Die
Stimmgabel 28 hat zwei Zinken 29 und 30 und eine Basis 31, mit der die Stimmgabel
28 an einem Träger 32 befestigt ist. Es sind Abnehmerkupplungen 33 und 34 vorgesehen,
die Kammern 35 und 36 aufweisen, welche Öffnungen 37 und 38 haben. Die Abnehmerkupplungen
33 und 34 sind derart angeordnet, daß-die öffnungen 37 und 38 den gegenüberliegenden
Seiten der Gabelzinke 30 benachbart angeordnet sind, so daß bei einer Schwingung
der Stimmgabel 28 die Zinke 30 zwischen den Abnehmerkupplungen 33
und 34
schwingt. Dadurch wird die Strömung des Druckmittels durch die Öffnungen
37 und 38 periodisch abgesperrt, wodurch Frequenzsteuersignale erzeugt werden, die
sich als periodische Druckgradienten in den Abnehmerkupplungen 33 und 34 ausbilden.
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Eine maximal wirksame Steuerung wird dadurch erzielt, daß die Abnehmerkupplungen
33 und 34 mit einem Minimalabstand von der Zinke 30 und dem Halsteil der Stimmgabel
28 benachbart angeordnet werden. Diese Anordnung der Abnehmerkupplungen 33
und 34 ermöglicht ein maximales Verhältnis der Amplitude der Frequenzsteuersignale
zur Amplitude der Stimmgabel 30, was bedeutet, daß bei der Erzeugung der Steuersignale
eine maximale Verstärkung erzielt wird.
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Die Abnehmerkupplungen 33 und 34 stehen mit den Steuerdruckmittelkanälen
8 und 9 über die Einlaßanschlüsse 10 und 11 und über Leitungen 39 und 40 in Verbindung.
Die Frequenzsteuersignale bewirken eine abwechselnde Zunahme und Abnahme der Strahlen
aus den Düsen 12 und 13. Dadurch wird eine wechselweise Ablenkung des Arbeitsdruckmittels
in die Kanäle 6 und 7 bewirkt.
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Die verstärkte Strömung in dem einen oder anderen der Kanäle 6 und
7 der Analogsteuerverstärkerstufe 2 erzeugt eine verstärkte Steuerdruckmittelströmung
in dem einen oder anderen der Kanäle 20 und 21 der Analogtreiberverstärkerstufe
3. Die relativen Ausgangspegel der Strahlen der Düsen 22 und 23 erhöhen und verringern
sich in entsprechender Weise, wodurch eine abwechselnde Ablenkung des Strahles,
der aus der Düse 17 austritt, in die Strömungskanäle 18 und 19 erfolgt. Die Schwingungen
der Stimmgabel 28 erzeugen Steuersignale, die im Verstärker 1 verstärkt werden,
um in den Auslaßanschlüssen 26 und 27 eine Wechselströmung des Arbeitsdruckmittels
zu erzeugen.
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Ähnlich wie die Abnehmerkupplungen 33 und 34 weisen die Treiberkupplungen
41 und 42 Kammern 45 und 46 mit Öffnungen 47 und 48 auf. Diese Treiberkupplungen
41 und 42 sind dem Ende der Zinke 29 der Stimmgabel 28 benachbart angeordnet.
Die Auslaßanschlüsse 26 und 27 sind mit den Treiberkupplungen 41 und
42 über Leitungen 43 und 44
verbunden, um die wechselnde oder
Gegentaktströmung des Arbeitsdruckmittels den Treiberkupplungen 41 und 42 zuzuführen
und die Stimmgabel 28 in Schwingung zu versetzen.
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Da der Arbeitsdruckmittelstrahl in jeder der Verstärkerstufen 2 und
3 entsprechend der Nutzleistung der Steuerdruckmittelstrahlen in jeder Stufe abgelenkt
wird, kann das Steuerdruckmittel in jeder Richtung durch die zugeordneten Kanäle
strömen. In der Analogsteuerverstärkerstufe 2 kann beispielsweise der Arbeitsdruckmittelstrahl
eine Unterdruckzone an den Steuerstrahldüsen 12 und 13 erzeugen, wodurch
eine Strömung von Steuerdruckmittel durch die Leitungen 39 und 40 in die Steuerkanäle
8 und 9 erzeugt wird. Wenn sich die Zinke 30 der Stimmgabel 28 der Abnehmerkupplung
33 nähert, so wird die Strömung durch die Öffnung 37 gehemmt oder abgesperrt, wodurch
die Strömung des Steuerdruckmittels im Steuerkanal 8 relativ zur Strömung im Strömungskanal
9 verringert wird. Daraus folgt, daß die Ausgangsgröße des Steuerdruckstrahles,
der aus der Düse 13 austritt, größer ist als die des Strahles, der aus der Düse
12 austritt, wodurch der Arbeitsdruckmittelstrahl
derart abgelenkt
wird, daß eine proportional größere Strömung des Arbeitsdruckmittels in den Strömungskanal
6 erfolgt.
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Auch kann der Aufbau der Analogsteuerverstärkerstufe 2 derart sein,
daß eine Strömung des Arbeitsdruckmittels im Strahl derart ausgebildet wird, daß
ein Steuerdruckmittel nach außen durch die Steuerkanäle 8 und 9, die Anschlüsse
10 und 11 und in die Leitungen 39 und 40 strömt. Bei dieser Anordnung erhöht das
Schließen der Öffnung 37 der Abnehmerkupplung 33 durch die Zinke 30 den Druck in
der Leitung 39 relativ zu dem in der Leitung 40. Dadurch wird der Steuerdruckmittelstrahl
an der Düse 12 gegenüber dem an der Düse 13 verstärkt, und es wird eine proportional
verstärkte Ablenkung des Arbeitsdruckmittelstrahles in den Strömungskanal? hinein
bewirkt. Dies stellt eine Phasenumkehr im Ausgang der Steueranalogverstärkerstufe
2 gegenüber der ersten Arbeitsweise dar. Die Arbeitsdruckmittelströmung in den Auslaßanschlüssen
26 und 27 weist ebenfalls diese Phasenumkehr auf, und deshalb ist es erforderlich,
daß die Treiberkupplungen 41 und 42 um die Zinke 29 in entgegengesetzten Stellungen
zu denen, die in F i g. 1 dargestellt sind, angeordnet werden, um die richtige Phasenlage
der Arbeitsdruckmittelausgangssignale zur Erregung der Stimmgabel 28 zu erhalten.
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Der Ausgang des in F i g. 1 dargestellten mechanischen Oszillators
kann für zahlreiche Zwecke verwendet werden. Ein elektrisches Ausgangssignal kann
durch einen Druckwandler 49 erzeugt werden, wie es in F i g. 1 gezeigt ist. Die
abwechselnde Strömung des Arbeitsdruckmittels, die an den Auslaßanschlüssen 26 und
27 vorhanden ist, wird den Leitungen 43 und 50 und 44 und 51 zugeleitet und damit
dem Druckwandler 49, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches an den
Ausgangsanschlüssen 52 zur Verfügung steht.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist wieder ein
Verstärker 1 vorgesehen, der eine Steuerverstärkerstufe 2 und eine Treiberverstärkerstufe
3' aufweist. Die Steuerverstärkerstufe 2 ist eine Analogverstärkerstufe und entspricht
in ihrem Aufbau und in ihrer Betriebsweise der Steuerverstärkerstufe 2 des in F
i g. 1 dargestellten Verstärkers 1. Die in F i g. 2 dargestellte Treiberstufe 3'
ist jedoch eine Digitalverstärkerstufe und arbeitet nach einem anderen Prinzip als
die Analogtreiberverstärkerstufe 3, die in F i g. 1 dargestellt ist.
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Der Digitalverstärker, der als Treiberverstärkerstufe 3' verwendet
wird, weist einen Arbeitsdruckmitteleinlaß 60 auf. Die Düse 61 bildet einen Strahl,
der in eine Kammer 62 gelangt. Die Kammer wird durch ein Paar Seitenwandungen 63
und 64 begrenzt, die um den Arbeitsdruckmittelstrahl herum auf entgegengesetzten
Seiten angeordnet sind und die in Strömungsrichtung divergieren. Kanäle 65 und 66
sind nebeneinander auf beiden Seiten des Einschnittes 67 angeordnet. Abzüge 85 und
86 ermöglichen einen Abgleich des Umgebungsdruckes und bilden Abzugskanäle für überschüssiges
Arbeitsdruckmittel.
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Der Strahl, der aus der Düse 61 austritt, liegt normalerweise an der
einen oder der anderen der divergierenden Seitenwandungen 63 und 64, jedoch nicht
an beiden an. Dadurch wird die Strömung des Arbeitsdruckmittels in einem stabilen
Zustand gehalten, in dem das gesamte Arbeitsdruckmittel in den einen oder den anderen
der Kanäle 65 und 66 strömt. Steuerkanäle 68 und 69 nehmen ein Steuerdruckmittel
auf und enden in Düsen 70 und 71.
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Der Aufbau des Steueroszillators entspricht dem in F i g. 1 dargestellten.
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Es sein angenommen, daß der Arbeitsdruckmittelstrahl an der Seitenwandung
63 anliegt. Dann ist eine Strömung des Arbeitsdruckmittels im Kanal 65 vorhanden.
Ein Ansteigen des Ausgangspegels des Steuerdruckmittelstrahles aus der Düse 70 hebt
den eine Anlage an der Seitenwandung 63 erzeugenden Unterdruck auf, und der Strahl
löst sich von der. Wandung 63 ab. Dadurch wird die Strömung des Arbeitsdruckmittels
in den Kanal 65 beendet. Der aus der Düse 70 austretende Strahl wirkt ferner
noch derart, daß dieser den Arbeitsdruckmittelstrahl zur gegenüberliegenden Seitenwandung
64 hin ablenkt, so daß der Arbeitsdruckmittelstrahl sich gegen diese Wandung 64
anlegt, wodurch eine Strömung von Arbeitsmedium im Kanal 66 erzeugt wird. Diese
Umschaltung des Arbeitsdruckmittelstrahles erfolgt fortlaufend in abwechselnder
Weise entsprechend den wechselweisen relativen Zu- und Abnahmen der Austrittspegel
der Strahlen an den Düsen 70 und 71.
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Die wechselnde Strömung des Arbeitsdruckmittels, die an den Auslaßanschlüssen
26 und 27 des in F i g. 2 dargestellten Verstärkers 1 erzeugt wird, hat die normalen
Charakteristiken der Digitalsignale. Dies heißt, daß die Strömung, wenn sie einmal
eingeleitet ist, sich sehr schnell auf ihren maximalen Wert erhöht. Dies ergibt
sich aus der im wesentlichen vollständigen Umschaltung des Arbeitsdruckmittelstrahles
in der in F i g. 2 dargestellten Digitaltreiberverstärkerstufe 3'.
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In einigen Fällen kann die Stimmgabel unerwünschte Schwingungen mit
harmonischen Frequenzen oder subharmonischen Frequenzen der vorbestimmten Resonanzfrequenz
durchführen. Diese Schwingungen können infolge eines zufälligen Anstoßens oder Anschlagens
der Stimmgabel entstehen oder durch die Erzeugung von Resonanzschwingungen von einem
in der Nähe schwingenden Teil. Die unerwünschten Schwingungen können dadurch verhindert
werden, daß die Treiberkupplung 41 oder 42 am Ende der Zinke 30 angeordnet wird,
und zwar auf der gleichen Seite wie die Treiberkupplung 42 oder 41 an der Zinke
29 (s. die Kupplung 41, die in F i g. 1 gestrichelt dargestellt ist).
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Eine andere Ausführungsform eines Steueroszillators ist in F i g.
3 gezeigt. Eine einfache Blattfeder 80
ist an einem Träger 81 befesitgt. Zu
beiden Seiten der Blattfeder 80 sind Abnehmerkupplungen 33 und 34 und Treiberkupplungen
41 und 42 angeordnet. Während die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Stimmgabel
28 Schwingungen erzeugt, die divergente und konvergente Schwingungsabbiegungen der
Zinken 29 und 30 umfassen, weist die schwingende Blattfeder 80 lediglich ein einziges
Element auf, welches ausgelenkt wird. Um die richtigen Phasenbeziehungen der Frequenzsteuersignale
und der Treibersignale zu erzeugen, müssen die Abnehmerkupplungen 33 und 34 und
die Treiberkupplungen 41 und 42 um die Blattfeder 80 herum in entgegengesetzter
Beziehung zu der Anordnung angeordnet werden, wie diese Kupplungen um die Zinken
29 und 30 der in F i g. 1 dargestellten Stimmgabel angeordnet sind.
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Um verschiedene Schwingungsfrequenzen einstellen zu können, können
mechanische Steueroszillatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen verwendet
werden.
Es kann die in F i g. 4 dargestellte Anordnung verwendet werden, um die Resonanzfrequenz
des mechanischen Steueroszillators, wie beispielsweise der Blattfeder 80, die in
F i g. 3 dargestellt ist, zu verändern. Der in F i g. 3 dargestellte Träger
81 ist, wie F i g. 4 zeigt, mit einem Einspannsteg 82 versehen, der am Träger
81 mittels Schrauben 83 befestigt ist. Die Resonanzfrequenz der Blattfeder 80 wird
durch Einstellung ihrer freien Länge bestimmt. Ähnliche Einrichtungen können vorgesehen
sein, um die Resonanzfrequenz einer Stimmgabel zu verändern.
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Wenn die Leistung der verwendeten Druckquelle für das Arbeitsdruckmittel
von untergeordneter Bedeutung ist, können zur Anregung für den mechanischen Steueroszillator
Einrichtungen verwendet werden, die in F i g. 5 gezeigt sind. Die Stimmgabel 28
oder eine Blattfeder wird dadurch in Schwingung versetzt, daß ein Luftstrahl 87
gegen das untere Ende der Zinke 29 gerichtet wird. Turbulenzeffekte, die auch bei
einem Luftstrahl mit konstanter Strömung hervorgerufen werden, reichen aus, um eine
Schwingung der Stimmgabel 28 zu erzeugen.
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In Systemen, in denen lediglich ein niedriger Ausgangspegel der schwankenden
Arbeitsdruckmittelströmung erforderlich ist oder in denen sowohl ein niedriger als
auch ein hoher Ausgangspegel erforderlich ist, können Auslaßanschlüsse vorgesehen
sein, die mit den Strömungskanälen der Zwischenstufen verbunden sind. In F i g.
6 ist eine Teilansicht der in F i g. 1 dargestellten Verstärkervornchtung 1 gezeigt.
Auslaßanschlüsse 100 und 101 stehen mit den Strömungskanälen 6 und
7 der Steuerverstärkerstufe 2 in Verbindung, um einen Ausgang mit geringem Pegel
zu schaffen. In diesem Fall ist die Strömung des Arbeitsdruckmittels in den Kanälen
6 und 7 ausreichend, um sowohl einen Arbeitsdruckmittelstrom in den Anschlüssen
100 und 101 zu erzeugen als auch eine Steuerdruckmittelströmung in den Kanälen 20
und 21 der Treiberverstärkerstufe 3.