DE1601702C - Steuervorrichtung, bei weicher ein Ausgangssteuerglied von einem auf einen von einer Druckquelle durch ein Servoventil gesteuerten Steuerdruck ansprechenden Ser vomotor betätigt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung, bei welcher ein Ausgangssteuerglied von einem auf einen von einer Druckquelle durch ein Servoventil gesteuerten Steuerdruck ansprechenden Servomotor betätigt wird, welches Steuerventil von einer schwenkbar angeordneten Hebelanordnung betätigt wird, welche einerseits einem veränderlichen Eingangssteuerdrehmoment und andererseits einem entgegengerichteten Rückkopplungsdrehmoment unterworfen ist, welche durch eine vorbelastete Feder erzeugt wird, welche zwischen einem bestimmten Teil der Hebelanordnung und einem beweglichen Teil eines zweiten schwenkbar angeordneten Hebels angeordnet ist, welcher so angeschlossen ist, daß er schwenkbar von dem Ausgangssteuerglied betätigt wird.

Bei bekannten Steuervorrichtungen dieser Art ändert sich das durch die vorbelastete Feder erzeugte Rückkopplungsdrehmoment als eine Funktion des Weges des Ausgangssteuergliedes, wenn man annimmt, daß die Federcharakteristik dieser Federmittel konstant bleibt. Es ist bekannt, daß die von der Feder erzeugte Rückkopplungskraft im wesentlichen gleich dem Weg des Ausgangsgliedes von seiner Ruhe- oder Nullstellung mal der verhältnismäßig konstanten Charakteristik der Feder ist. Solch eine Federcharakteristik bleibt jedoch bei wesentlichen Änderungen in der umgebenden Strömungstemperatur oder bei großen Verschiebungen des Ausgangsgliedes nicht konstant, da der Steuerhebel in einer im wesentlichen festen Stellung bleibt, da eine sehr kleine Winkelver-Schiebung von ihm eine weit offene oder geschlossene Stellung des Ventils zur Folge hat. Hieraus ergibt sich, daß das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal und dem Weg des Ausgangsgliedes nicht als linear in einem großen Bereich von' Betriebszuständen betrachtet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, welche ein lineares Verhältnis zwischen dem Weg des Ausgangssteuergliedes und dem veränderlichen Eingangsmoment herstellen kann. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Schwenkachse des zweiten Hebels parallel zu der Schwenkachse der Hebelanordnung verläuft und im wesentlichen durch dessen bestimmten Teil hindurchgeht, und daß die Feder mit einer im wesentlichen konstanten Länge versehen ist und um den bestimmten Teil entsprechend einer Bewegung des Ausgangssteuergliedes schwenkt und demgemäß den veränderlichen Hebelarm abändert, durch welchen die Feder auf die Hebelanordnung einwirkt.

Dadurch, daß der zweite Hebel um eine Achse schwenkbar angeordnet ist, welche durch den im wesentlichen festen Punkt der Rückkopplungsfedermittel auf der Hebelanordnung verläuft, ergibt sich, daß diese Federmittel als eine konstante Länge arbeiten, wie auch immer der Weg des Ausgangsgliedes sein muß, und daß sich nur das durch die konstante Federkraft auf die Hebelanordnung erzeugte Rückkopplungsmoment entsprechend der relativen, winklig geneigten Lage dieser Kraft mit Bezug auf die Hebelanordnung ändert, welche Lage als eine Funktion des Ausgangsgliedweges gesteuert wird. Da die Feder nach der Erfindung eine im wesentlichen konstante Länge unabhängig von den Ausgangsgliedverschiebungen beibehält, werden die obenerwähnten Nachteile vermieden, und es werden durch die Steuervorrichtung zuverlässige und einfache Mittel geschaffen, um eine Steuerung der Betätigung des Ausgangssteuergliedes als eine lineare Funktion eines Signals einer veränderlichen Eingangskraft zu steuern.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Steuervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie2-2 der Fig. 1, bei welcher die Kräfteausgleichshebel von dem Abstützgehäuse entfernt sind.

In einem Gehäuse 20 mit Kammern 22 und 24 sind Strömungsmediumeinlaßkanäle 26 und 28 vorgesehen. Ein in der Kammer 22 verschiebbar angeordneter Servokolben 30 ist mit einer zylindrischen Verlängerung 32 versehen, welche von dessen einer Seite durch das Gehäuse 20 in Arbeitseingriff mit einem nicht dargestellten, in seiner Lage steuerbaren Glied geführt ist. Eine weitere, im Durchmesser größere Verlängerung 34 erstreckt sich von der anderen Seite des Kolbens 30 durch das Gehäuse 20 und ist mit einer ringförmigen Nut 36 in ihrem freien Ende versehen. Ein mit einer Drosselstelle 40 versehener Abzweigkanal 38 führt Strömungsmedium von der Einlaßöffnung 26 zu der Kammer 22 auf die eine Seite des Kolbens 30, von welchem ein Druck P₅ über einen Austrittskanal 42 zu einer Austrittsöffnung verhältnismäßig niedrigem Strömungsdruck P₀ übertragen wird. Der Einlaßkanal 26 steht mit einer Strömungsquelle bei reguliertem, konstantem Druck P_R in Verbindung, welcher allgemein mit 43 bezeichnet ist.

Die effektive Strömungsfläche des Austrittskanals 42 und damit der Strömungsdruck P_s in der Kammer 22 hinter der Drosselstelle 40 wird durch ein bewegliches Ventil 44 gesteuert, welches mit einem an dem Austrittsende des Kanals 42 vorgesehenen Ventilsitz 46 zusammenwirkt. Das Ventilglied 44 ist mit einem schraubbaren Schaft 48 versehen, welcher mit dem einen Ende eines Hebels 50 im Schraubeingriff steht und durch eine Gegenmutter 52 verriegelt ist. Der Hebel 50 ist mit einem Querteil 54 mit einstückigen Endwellen 56 versehen, welche in Antifriktionslagern, beispielsweise Kugellagern 58, angeordnet sind, welche von dem Gehäuse 20 getragen werden. Dadurch wird für den Hebel 50 eine feste Schwenkachse gebildet.

Ein mit dem Querteil 54 einteiliger, kreisförmiger Arm oder Hebel 60 erstreckt sich durch eine Öffnung 62 in dem Gehäuse 20 in die Kammer 24. Eine evakuierte Druckdose 64 ist an ihrem einen Ende mittels eines schraubbaren Schaftes 66 an dem Gehäuse 20 befestigt und durch eine Gegenmutter 68 verriegelt. Das andere bewegliche Ende der Druckdose 64 ist an einem Schaft 70 mit einem Querstift 72 versehen, welcher mit einer Nut 74 in dem Arm 60 im Eingriff steht. Die Druckdose 64 spricht auf einen der Kammer 24 über einen Kanal von einer allgemein mit 75 bezeichneten Quelle zugeführten Steuerströmungsdruck P_c an, welcher aus jedem gewünschten Steuermediumdruck, beispielsweise dem Kompressoraustrittsluftdruck einer Gasturbine, bestehen kann, in welchem Falle die Ausgangsbewegung des Kolbens 30 ein Kraftstoffventil steuern kann. Die Öffnung 62 ist im Durchmesser etwas größer als der Arm 60 und in entsprechender Weise ausgenommen und nimmt eine elastische ringförmige Dichtung, wie beispielsweise einen »0«-Ring 76 od. dgl. auf, welcher als Abdichtung gegen den Druck P_c wirkt und einen begrenzten Bewegungsbereich des Armes 60 entspre-

chend der durch die Druckdose 64 hervorgerufenen Belastung ermöglicht.

Ein mit dem Querteil 54 einteiliger Hebel 78 ist an seinem freien Ende abgebogen und bildet eine rechtwinklige Verlängerung, welche mit einer Federbefestigung 80 mit einer ringförmigen Ausnehmung 82 ver-■ sehen ist und das eine Ende der vorbelasteten Feder 84 festhält. Das Befestigungsglied 80 kann auf an dem Hebel 78 befestigten Kugellagern 86 drehbar angeordnet sein.

Ein zweiter Hebel 88 mit sich in entgegengesetzten Richtungen erstreckenden, im wesentlichen parallelen Armen 90 und 92, welche durch eine Querwelle verbunden sind, ist um eine Schwenkachse 94 eines von dem Gehäuse 20 getragenen Lagers 96 schwenkbar gelagert. Der Hebelarm 90 schwingt in einer Ebene parallel zu der Bewegungsebene des Hebels 78 und ist mit einem abgeflachten Endteil 98 versehen, welcher im rechten Winkel davon liegt. Ein Schraubbolzen 100, welcher in einer öffnung 102 in dem Endteil 98 verschiebbar gelagert wird, ist mit einer kreisförmigen Ausnehmung 104 versehen, welche ein bogenförmiges Ende einer Spannfeder 84 festhält. Eine Mutter 106 auf dem Schraubbolzen 100 stützt sich gegen eine auf Temperatur ansprechende Scheibe 108 ab, welche zwischen der Mutter 106 und dem Endteil 98 angeordnet ist. Der Hebelarm 92 ist mit einer auf seinem freien Ende drehbar angeordneten Rolle 110 od. dgl. versehen. Die Rolle 110 läuft in der ringförmigen Nut 36 und schwenkt dadurch den zweiten Hebel 88 entsprechend der Bewegung des Servokolbens 30.

Wirkungsweise

Es soll anfangs angenommen werden, daß sich die Vorrichtung in einem ausgeglichenen Zustand befindet, wodurch die verschiedenen Teile die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Lage einnehmen. Wird jetzt eine Erhöhung in dem auf die Kammer 24 übertragenen Steuermediumdruck P_c angenommen, so spricht die Druckdose 64 demgemäß mit einer erhöhten Kraftbelastung auf den Arm 60 an, welcher sich zusammen mit dem Querteil 54 und der Hebelanordnung 50, 78 im Uhrzeigersinn bei F i g. 1 verschwenkt und dadurch das Ventil 44 von seinem Sitz 46 anhebt. Die sich daraus ergebende Vergrößerung der wirksamen Strömungsfläche des Austrittskanals 42 hat eine Abnahme in dem Druck P_s hinter der Drosselstelle 40 zur Folge, woraufhin der Kolben 30 nach rechts bei F i g. 1 entsprechend der sich darauf auswirkenden Ungleichheit der Kräfte bewegt wird. Der zweite Hebel 88 folgt dem Kolben 30 und schwingt demgemäß im Uhrzeigersinn aus und vergrößert den Winkel 6> zwischen der Linie, welche durch die Achse der Lager 58 und 86 und durch die Achse des Lagers 86 und der Rolle 110 läuft, wie es in F i g. 1 dargestellt ist. Die wirksame Hebelarmlänge X des Hebels 78, durch welche die Feder 84 als eine Funktion des veränderlichen Winkels θ wirkt, ist durch die Gleichung dargestellt.

60

X = I₃ sin Θ,

worin Z₃ die Länge des Hebels 78 gemessen von seiner Schwenkachse an dem einen Ende bis zu der Achse des Lagers 86 ist, welche durch die effektive Kraftangriffssteile der Feder 84 verläuft und Θ der Winkel ist, den die Feder 84 mit dem Hebel 78 bildet, wie durch die Linie dargestellt ist, welche durch die Achse der Lager 58 und 86 an den gegenüberliegenden Enden des Hebels 78 verläuft.

Die Vergrößerung der wirksamen Hebelarmlänge X des Hebels 78 hat eine Erhöhung im Drehmoment im Gegensatz zu dem Drehmoment zur Folge, welches durch die durch dem Arm 60 wirkende Druckdose 64 erzeugt wird, und will das Ventil 44 in Richtung auf den Sitz 46 in eine Nullstellung drücken, was seinerseits eine Erhöhung in dem Strömungsdruck P_s hinter der Drosselstelle 40 zur Folge hat, wodurch eine Bewegung des Kolbens 30 abgebremst und dieser stabilisiert wird. Der Weg des Kolbens 30 mit Bezug auf den Eingangsdruck P_c kann je nach dem Verhältnis der Winkel Θ und Φ linear oder nicht linear sein, welcher durch die Feder 84 und den Hebelarm 92 mit dem Hebel 78 gebildet wird.

Es wird angenommen, daß die Winkel Θ und Φ gleichgemacht sind. Der Kolbenweg hat zu dem Eingangsdruck P_c folgende Beziehung:

Y =

I₄. I₁ A₆₄. P_c

worin I₁ die effektive Länge des Armes 60,I₄ die effektive Länge des Hebels 92, A₆₄. die effektive Endfläche der Druckdose 64, P_c der Eingangsströmungsdruck zur Kammer 24 ist, auf welchen die Druckdose 64 anspricht, und F_s die Federbelastung ist, welche konstant ist. Tatsächlich sind bei einem ausgeglichenen Zustand des Ventils 44 und damit des Kolbens 30 die von der Druckdose 64 und der Feder 84 abgeleiteten entgegengesetzten Drehmomente gleich und können folgendermaßen angesetzt werden:

I₃ F_s sin Θ = I₁ A₆₄ P_c

sin Θ = ■

Wenn die Achsen des Hebels 88 und des Lagers 86 so ausgeführt sind, daß sie wie in den Zeichnungen dargestellt zusammenfallen, kann der Weg Y des Kolbens 30 durch folgende Beziehung dargestellt werden:

Da

Y = I₄ sin Φ = Z₄ sin Θ.

hat ein Einsetzen in die obige Gleichung folgende Gleichung zur Folge:

Y —

Die Ausdrücke

'4 'i A₆₄ P_c

k k

sind konstant und können durch eine Konstante C folgendermaßen bezeichnet werden:

Y=CP_n

wodurch eine lineare Beziehung zwischen dem Kolbenweg Y und einem veränderlichen Eingangsdruck P_c hergestellt wird.

Eine nicht lineare Beziehung zwischen dem Kolbenweg Y und dem Eingangsdruck P _c kann durch jede geeignete Veränderung der Hebel 92 und 90, so daß der Winkel Θ nicht gleich dem Winkel Φ ist, in welchem Fall die Feder 84 eine konstante Länge hat, oder durch Verändern der Länge Z₃ des Hebels 78 hergestellt werden, so daß die Achsen des Lagers 86 und die Schwenkachse des Hebels 88 nicht zusammenfallen, in welchem Fall sich-die Feder 84 je nach der Lage des Kolbens 80 in der Länge verändert.

Die auf Temperatur ansprechende Scheibe oder Scheiben 108 oder jedes andere geeignete Temperaturelement arbeitet als ein Temperaturkompensationsmedium, um die Belastung der Feder 84 bei einem konstanten Wert unabhängig von den Temperatur-Veränderungen des umgebenden Strömungsmediums zu halten. Die Ausgangskraft der Spannfeder 84 hat die Neigung, sich mit einer Abnahme oder Erhöhung der Temperatur entsprechend den Veränderungen in der Temperatur des umgebenden Strömungsmediums *° zu erhöhen oder abzunehmen. Die Scheibe 108 wird so ausgewählt, daß sie sich bei einer Erhöhung in dem umgebenden Strömungsmedium ausdehnt und dadurch die Mutter 106 von dem Endteil 98 wegdrückt, wodurch sich der Bolzen 96 mit Bezug auf den Endteil 98 verschiebt und dadurch die Länge der Feder 84 vergrößert, um demgemäß die Ausgangskraft der Feder auf ihren ursprünglichen Wert wieder herzustellen. Im Falle einer Abnahme der Temperatur zieht sich die Scheibe 108 zusammen und hat eine Verkürzung der Feder 84 zum Kompensieren der Temperaturwirkung auf die Feder 84 und ein Konstanthalten der Ausgangskraft zur Folge.

Das Eingangskraftsignal kann durch den obenerwähnten Strömungsdruck P_c erzeugt werden, welcher auf die Druckdose 64 oder durch andere geeignete Mittel, wie beispielsweise eine hebelbetätigte Feder, geschwindigkeitsbetätigte Zentrifugalgewichte od. dgl., wirkt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung, bei welcher ein Ausgangssteuerglied von einem auf einen von einer Druckquelle durch ein Servoventil gesteuerten Steuerdruck ansprechenden Servomotor betätigt wird, welches Steuerventil von einer schwenkbar angeordneten Hebelanordnung betätigt wird, welche einerseits einem veränderlichen Eingangssteuerdrehmoment und andererseits einem entgegengerichteten Rückkopplungsdrehmoment unterworfen ist, welches durch eine vorbelastete Feder erzeugt wird, welche zwischen einem bestimmten Teil der Hebelanordnung und einem beweglichen Teil eines zweiten schwenkbar angeordneten Hebels angeordnet ist, welcher so angeschlossen ist, daß er schwenkbar von dem Ausgangssteuerglied betätigt wird, dadurchgekennzeichnet, daß die Schwenkachse (94) des zweiten Hebels (88) parallel zu der Schwenkachse der Hebelanordnung (50, 78) verläuft und im wesentlichen durch dessen bestimmten Teil hindurchgeht, und daß die Feder λ-, mit einer im wesentlichen konstanten Länge ver- ~ ^v sehen ist und um den bestimmten Teil entsprechend einer Bewegung des Ausgangssteuergliedes schwenkt, und demgemäß den veränderlichen Hebelarm (X) abändert, durch welchen die Feder auf die Hebelanordnung (50, 78) einwirkt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbelastete Feder aus einer vorbelasteten Feder (84) und temperaturempfindlichen Mitteln (108) besteht, welche beide mit gleichen temperaturempfindlichen Charakteristiken versehen und so angeschlossen sind, daß durch Veränderungen in der Umgebungstemperatur verursachte Änderungen in der Belastung der Feder (84) durch die temperaturempfindlichen Mittel (108) ausgeglichen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen