DE1523606A1

DE1523606A1 - Nach dem Kraftvergleich arbeitender pneumatischer oder hydraulischer Schalter oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1523606A1
Application number: DE19621523606
Authority: DE
Inventors: Lochner Dipl-Ing Manfred; Onnen Dipl-Ing Onno
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-13
Filing date: 1962-12-13
Publication date: 1969-10-30
Also published as: DE1523606B2; NL301535A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT P 15 23 606.3

PA 62/3096 Gra/Rid

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Nach dem Kraftvergleich arbeitender pneumatischer oder hydraulischer Schalter oder Verstärker

Bei pneumatischen Regel- und Steuereinrichtungen werden in großer Zahl pneumatische Verstärker verwendet, die aus einer Vorsteuerung, z. B. einer Düse-Prallplatte-Anordnung mit einer oder mehreren nachgeschalteten Verstärkerstufen bestehen. Der Verstärker arbeitet in den meisten Fällen mit mechanisch gekoppelten Bälgen oder Membranen, auf die nach der Methode der Kraftkompensation einerseits der Vorsteuerdruck (bei einer Vorsteuerung mit Düse-Prallplatte der Druck in der Düse) und andererseits in entgegengesetzter Richtung der Ver-

UrKfaflaflön (Ar... „..;..... .\... „_ ..,..3 ArKiOiUnSSQeS-V. 4. 9.1967)

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stärkerausgangsdruck wirkt. Die Bälge oder Membranen steuern dabei nach dem Sparprinzip (geringer Luftverbrauch) über Kugel- oder Kegelventile die Zuleitung des Versorgungsdruckes und eine Abblasöffnung bis die Kompensation der Kräfte Vorsteuerdruck - Verstärkerausgangsdruck über die entsprechenden Membran- oder Balgflächen erreicht ist.

Die Luftleistung derartiger Verstärker ist vielfach für die Betätigung von pneumatischen Antrieben nicht ausreichend. Sie läßt sich zwar vergrößern, wenn die Abmessungen des Verstärkers größer gemacht werden, jedoch tritt dann ein sehr unangenehmer Umsteuerfehler auf.

Es sind andererseits für die Verwendung von hydraulischem Druckmittel Verstärker bekannt, bei denen Schieber oder Kolben Steuerkanten oder S t eueröffmangen freigeben und sperren. Dabei sind mit einer gemeinsamen Kolbenstange mehrere Kolben unterschiedlichen Durchmessers starr verbunden; gewöhnlich besteht der Steuerkörper mit mehreren Kolben aus einem Stück, das mit großer Präzision hergestellt werden muß. Auch wenn bei der Herstellung an Sorgfalt und Aufwand nicht gespart wird, läßt sich viel-

. 4. 9.1967)

fach nicht vermeiden, daß die Kolben in den unterschiedlichen, ihnen angepassten Bohrungen nicht genau fluchten und der Steuerkörper klemmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter oder Verstärker für pneumatisches und hydraulisches Druckmittel anzugeben, mit dem bei kleinen Abmessungen eine große Druckmittelmenge (Luftleistung) gesteuert werden kann und der andererseits auch für die Einsteuerung von großen Drücken mit sehr viel geringerem Aufwand herzustellen ist als die bekannten Verstärker mit Bälgen, Membranen, Steuerschiebern oder Steuerkolben. Bei einem bekannten nach dem Kraftvergleich arbeitenden Verstärker sind zwei kraftschlüssig aufeinander wirkende mechanisch nicht miteinander verbundene Steuerkörper, nämlich ein Hohlkolben und ein zylindrischer Körper mit kegelförmigen am Hohlkolben anliegenden Flächen vorgesehen. Die Steuerkörper liegen in entsprechend angepassten Bohrungen, welche über Steueröffnungen den Versorgungsdruck bzw. eine Abblasöffnung mit dem Ausgangsdruckraum verbinden, bis die Kraftkompensation erreicht ist. Bei dem bekannten Verstärker ist nachteilig, daß die beiden aufeinander wirkenden Steuerkörper sieh bei der Bewegung in ihren Bohrungen verkanten können, wenn die Steuerflächen nicht mit sehr hoher Präzision gearbeitet sind. Der Verstärker ist bei der Herstellung aufwendig und im Betrieb nicht störungs-

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sicher. Diese Nachteile werden "bei dem neuen Verstärker gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß als Steuerkörper mindestens zwei Kugeln unterschiedlichen Durchmessers verwendet sind, derart, daß der Vorsteuerdruck auf die eine Kugel,der Versorgungsdruck auf die andere Kugel und der Ausgangsdruck zwischen den Kugeln wirksam ist.

Der neue Verstärker zeichnet sich noch dadurch aus, daß es mit ihm möglich ist, bei geeigneter Bemessung der Flächenverhältnisse der Steuerkörper, den Zuluftfehler der Vorstufe zu kompensieren. Bei einer aus Düse und Prallplatte bestehenden Vorstufe ist bekanntlich für eine bestimmte Stellung der Prallplatte der Druck in der Düse, der als Vorsteuerdruck in die nachfolgende Verstärkerstufe gelangt, vom Versorgungsdruck abhängig. Naherungsweise gilt hier die Beziehung, daß sich bei einer Änderung des Versorgungsdruckes um den Betrag Δ p_z der Druck in der Düse, also der Vorsteuerdruck für den naohgeschalteten Verstärker um einen Betrag Δ ρ ändert, der proportional Δ p_z ist Δ ρ «α·Δρ (α Proportiönalitätsfaktor). Ba bei dem neuen Verstärker der Aufbau so gewählt werden kann, daß der Versorgungsdruck auf einen Steuerkörper wirkt, läßt sich die Abhängigkeit vom Versorgungsdmick beseitigen, d. h. der Ausgangsdruck eines Verstärkere, der aus einer normalen Vorstufe (Düse-Prallplatte) und einer gemäß der Erfindung auf-

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gebauten Verstärkerstufe besteht, ist näherungsweise unabhängig vom Versorgungsdruck. Um dies zu erreichen, ist das Verhältnis der Fläche des Steuerkörpers, der unter dem Versorgungsdruck steht (Pp) zu der Fläche des anderen Steuerkörpers, der unter dem Vorsteuerdruck steht, (F₁) so zu

F_p ^Ί Δ ώ

wählen, daß die Beziehung —«=—^{a α} erfüllt ist (α ).

Ji₁ ^ p_z

An Hand der Zeichnung werden verschiedene Ausführungsbeispiele für den prinzipiellen Aufbau des neuen Verstärkers erläutert.

Nach Figur 1 werden zwei Kugeln und nach den Figuren 2 bis drei Kugeln als Steuerkörper benutzt. Hierbei geben die Figuren 4 und 5 Beispiele für pneumatische oder hydraulische Schalter, während sich die Figuren 2 und 3 auf Verstärker beziehen. Figur 6 schließlich gibt ein Beispiel für einen doppeltwirkenden pneumatischen oder hydraulischen Schalter.

In Figur 1 ist eine noch mit einigen Unvollkommenheiten behaftete Verstärkerstufe gezeigt, bei der die Steuerkörper aus zwei Kugeln 8 und 9 bestehen. Die Abblasöffnung A wird hier von der größeren Kugel 8 verschlossen oder freigegeben. Hierbei ist es nicht zu vermeiden, daß in der einen Stellung der unter dem Vorsteuerdruck stehende Raum mit der Öffnung A Verbindung erhält.

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Der zu verstärkende Druck p_y wirkt als Vorsteuerdruck in Richtung des Pfeiles auf die Kugel 8 mit der Fläche F₁. Auf die Kugel 9 wirkt der konstante Versorgungsdruck ρ ebenfalls in Richtung des eingezeichneten Pfeiles. Da die Kugel 9 die kleinere Fläche F₂ besitzt, wirkt auf sie die Kraft p_z · Fg. Auf die Kugel 8 wirkt in entgegengesetzter Richtung die Kraft p_v · P^. Hat die Kugel 8 eine Stellung eingenommen, bei der die Abblasöffnung 8, die in die Atmosphäre führt, verschlossen wird, so wirkt zwischen den Kugeln 8 und 9 der Druck ρ . der als Verstärkerausgangsdruck, z. B. einem Stellorgan zugeführt wird. Auf die größere Kugel 8 wirkt entgegengesetzt zur Richtung des linken Pfeiles die Krjtft ρ · P₁* während auf dis* kleinere Kugel 9 entgegengesetzt zum rechten Pfeil die Kraft p_Q . F₀ wirkt. Die Kugeln sind im Gleichgewicht, wenn p_y . F- gleich ist:

P_a (F₁ - F₂) + p_z . F₂.

Die Verstärkung, d. h. der Betrag, um den der Ausgangsdruck p_a größer als ρ ist, hängt vom Verhältnis der Durchmesser der Kugeln 8 und 9 ab. Überwiegt der Druck p_y vor der Kugel 8, so werden beide Kugeln nach rechts geschoben bis die Kugel 9 die öffnung 4 am Rand freigibt, so daß der Zuluftdruck p_z in den Zwischenraum zwischen den Kugeln 8 und 9 gelangen kann. Hierdurch wird die entgegen dem Druck p_y wirkende Kraft ρ .(F₁- F₀) vergrößert, bis das Gleichgewicht wieder

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hergestellt ist. Verringert sich der Druck ρ , so verschieben sich beide Kugeln nach links und die Kugel 8 gibt die
Auslassöffnung A frei, so daß der Druck zwischen den Kugeln im Raum 5 verringert wird, bis das Kräftegleichgewicht wieder hergestellt ist. Bei zu großem Ausgangsdruck im Raum 5
wandern die Kugeln also nach links und bei zu kleinem Druck p_ nach rechts, bis die entsprechenden Steueröffnungen A bzw.

4 freigegeben werden.

In Figur 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform
des neuen Verstärkers dargestellt. Hierbei laufen drei
Kugeln 8, 9, 10 mit den Flächen F-, Fp, F, abnehmender Größe in Steuerbohrungen 11, 12, 13· Der Raum zwischen den Kugeln und 9 ist über die Öffnung A ^it der Atmosphäre verbunden.
Der Raum zwischen den Kugeln 9 und 10 führt den Ausgangsdruck des Verstärkers p_a und wird über die Öffnung B, z. B. mit
einem Stellorgan verbunden, für dessen Betrieb eine große Luftleistung erforderlich ist. Wenn der Kompensationszustand der Kräfte erreicht ist, wird die vom Vorsteuerdruck auf die
Fläche der Kugel 8 ausgeübte Kraft von der Kraft des Versorgungsdruckes auf die Kugelfläche 10 und der Kraft des Ausgangsdruckes auf die Differenz der Kugelflächen F₂ und F, kompensiert. Kimmt der Vorsteuerdruok zu, so wandern die Kugeln nach rechts und die Kugel 10 gibt die Steueröffnung 13 frei,

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so daß der Druck p_& erhöht wird, bis die Kompensation der Kräfte wieder erreicht ist. Nimmt der Vorsteuerdruck ab, so wandern die Kugeln nach links und die Kugel 9 gibt die Steueröffnung 12 frei, so daß der Ausgangsdruckraum über die öffnung 12 mit der öffnung A verbunden wird. Der Druck P_a wird jetzt verringert, bis der Kompensationszustand wieder hergestellt ist.

In Figur 3 ist dieselbe Anordnung für eine reversierte Wirkungsweise dargestellt. Die kleinste Kugel liegt hier in der Mitte zwischen der größeren Kugel und der Kugel mittlerer Größe.

Nimmt hier der Vorsteuerdruck ρ zu, so gibt die mittlere Kugel 10 die Steueröffnung 12 frei und der Druck im Raum zwischen den Kugeln 10 und 9 wird verringert. Die Kraft, die vom Ausgangsdruck p_o erzeugt wird, und die auf die

et

Differenz der Flächen der Kugeln 9 und 10 wirkt, verläuft hier in umgekehrter Richtung wie in Figur 5, d. h. gleichgerichtet mit p_y. Wird die Kraft P^ verringert, so nimmt die resultierende Gegenkraft p„ - p_, die P_v ent-

Zf CL V

gegenwirkt, zu, bis die Kompensation wieder erreicht ist. Nimmt dagegen der VorSteuerdruck ab, so gibt die Kugel 9 die Steueröffnung 13 frei. Der Druck im Raum zwischen den Kugeln 10 und 9 wird erhöht und damit die resultierende

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Kraft, die der Kraft Py entgegenwirkt, verringert.

In Figur 4 ist dargestellt, wie die Anordnung nach Figur 2 als pneumatischer oder hydraulischer Schalter verwendet werden kann. Die beiden Kugeln 9 und 10 haben hierbei gleiche Größe. Die Flächenverhältnisse zwischen den Kugeln 8 und 9 sind so bemessen, daß bei einem bestimmten Vorsteuerdruck der Gegendruck des Druckmittels auf die Fläche der Kugel 10 überwunden wird und die Kugeln nach rechts auswandern. Der Versorgungsdruck ist dann durch die Steueröffnung 13 mit der Ausgangsöffnung B verbunden. Sobald der Vorsteuerdruck unter ein vorgegebenes Maß sinkt, überwiegt die Kraft P„ des Versorgungsdruckes auf die Fläche der Kugel 10, so daß sämtliche Kugeln nach links wandern und hierdurch der Ausgangsdruckraum zwischen den Kugeln 9 und 10 mit der Abblasöffnung A verbunden ist.

Figur 5 zeigt einen gleichartig aufgebauten Schalter, jedoch mit reversierter Wirkungsweise. Übersteigt der VorSteuerdruck ρ den vorgegebenen Wert, so bleibt der Ausgangsdruckraum zwischen den Kugeln 9 und 10 über die öffnung A mit der Atmosphäre verbunden. Sinkt dagegen der Vorsteuerdruck unter den vorgegebenen Wert, so ist der Versorgungsdruck über die Steueröffnung 13 mit der öffnung B und dem Ausgangsdruck verbunden.

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- ίο -

Eine der Figur 4 entsprechende Anordnung für einen doppeltwirkenden Schalter ist in Figur 6 gezeigt. Je nachdem, ob der Steuerdruck im linken oder rechten Teil des Verstärkers größer ist, wird der Zuluftdruck ρ auf die Ausgangsöffnung B₁ oder Bp geschaltet. Auch die anderen "beschriebenen Schalter und Verstärker lassen sich doppeltwirkend ausbilden.

3 Patentansprüche
1 Bl. Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche :

1. Nach, dem Kraftvergleich arbeitender pneumatischer oder hydraulischer Schalter oder Verstärker mit zwei kraftschlüssig aufeinander wirkenden mechanisch nicht verbundenen Steuerkörpern in entsprechend angepassten Bohrungen, die über Steueröffnungen den Versorgungsdruck bzw. eine Abblasöffnung mit dem Ausgangsdruckrauin verbinden, bis die Kraftkompensation erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerkörper mindestens zwei Kugeln unterschiedlichen Durchmessers verwendet sind, derart, daß der Vorsteuerdruck auf die eine Kugel, der Versorgungsdruck auf die andere Kugel und der Ausgangsdruck zwischen den Kugeln wirksam ist.

2. Schalter oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kugeln hintereinander derart angeordnet sind, daß der Vorsteuerdruck auf die größte Kugel wirkt, daß der Baum zwicken dieser und der nächsten Kugel mit der Abblasöffnung verbunden ist, daß Zwischen der zweiten und der dritten Kugel der Ausgangsdruck abgreifbar ist und daß die dritte Kugel unter der Wirkung des Zuluftdruckes steht.

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3. Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche (F«) der Kugel, die unter dem Versorgungsdruck (p_z) steht, zu der Fläche (F-) derjenigen Kugel, die unter dem Vorsteuerdruck (p_v) steht, so gewählt ist, daß die Abhängigkeit des Vorsteuerdruckes der Vorstufe mindestens annähernd kompensiert ist (Fg/F^ap^.* a . p_z).

Unterlagen lArt. 7 s I A". 2 Nr. l Satz i ties Änderunosc «. .·. 1967)

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