DE19935098A1 - Fluidverteilervorrichtung, insbesondere für die hydraulische Fernsteuerung - Google Patents

Abstract

Fluidverteilervorrichtung, insbesondere für hydraulische Fernsteuerungen, mit wenigstens einem in einem Körper (1) montierten Druckminderer (2) und einem Steuerorgan (19), mit dem die von einer Tarierungsfeder (28) herbeigeführte Tarierung des Druckminderers modifiziert werden kann; die Tarierungsfeder (28) ist eine Einzelfeder und als Schraubenfeder mit variablem Wicklungsschritt ausgebildet, so daß die Regelkennlinie des Fluiddrucks, die durch eine Betätigung des Steuerorgans erzielt wird, bei der die Tarierungsfeder zumindest teilweise komprimiert wird, eine variable Steigung besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Fluidverteilervorrichtungen, insbesondere für hydrauli­ sche Fernsteuerungen, wie sie unter der Bezeichnung "hydraulische Manipulatoren" bekannt sind, mit wenigstens einem Druckminderer, der in einem Körper montiert ist, und einem Steuer­ organ zur Änderung der Tarierung des Druckminderers, wobei der Druckminderer einen Tauch­ kolben umfaßt, der durch das Steuerorgan in einem in dem Körper vorgesehenen Hohlraum ver­ schiebbar ist, der auf einer Seite eine Aufnahme, in der eine Feder zur Tarierung des Druckmin­ derers angeordnet ist, und auf der anderen Seite eine Bohrung bildet, in der ein aktiver Teil des Tauchkolbens verschoben werden kann, um die Funktion des Fluiddruckminderers zu gewähr­ leisten, wobei der Tauchkolben einen Schaftteil besitzt, der den genannten aktiven Teil überragt und sich im wesentlichen in der genannten Aufnahme erstreckt, und wobei der Schaftteil an seinem freien Ende einen verbreiterten, eine erste Schulter bildenden Kopf und auf der Seite sei­ ner Verbindung mit dem genannten aktiven Teil eine zweite Schulter aufweist, auf der sich die Tarierungsfeder abstützt, deren anderes Ende sich an einem zu dem Schaftteil koaxialen Feder­ teller abstützt, der gegen das Steuerorgan elastisch vorgespannt ist.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen des oben beschriebenen Typs ist die Tarierungsfeder ei­ ne klassische Schraubenfeder. Eine solche Vorrichtung ist z. B. in den Dokumenten FR 2 376 978 oder FR 2 507 732 beschrieben. Die Regelkennlinie des hydraulischen Drucks ist bei den be­ kannten Vorrichtungen dieser Art im wesentlichen linear, und ihre Steigung wird durch die Stei­ figkeit der Feder bestimmt.

Für bestimmte Anwendungsgebiete möchten die Benutzer über komplexere Regelkennlinien mit variabler Steigung verfügen können (wobei die Steigung der Regelkennlinie z. B. gegen das Ende des Weges des Steuerorgans ausgeprägter sein soll). So ist eine Verteilervorrichtung be­ kannt, deren Ansprechkennlinie zwei Steigungen aufweist. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen dargestellt.

Diese bekannte Vorrichtung besitzt einen Körper 1 (der aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein kann, um das Anbringen der inneren Komponenten zu erleichtern). In diesem Körper ist wenigstens ein Fluiddruckminderer 2 angeordnet. Dieser Druckminderer besitzt einen Tauchkol­ ben 3, der in einem in dem Körper 1 angebrachten Hohlraum 4 verschiebbar ist. Dieser Hohl­ raum 4 weist auf der einen Seite eine verbreiterte Aufnahme 5 auf, in der eine Tarierungsfeder 6 angeordnet ist, die sich zwischen einer Schulter 7 des Tauchkolbens und einem Federteller 8 abstützt, der in der Aufnahme 5 im Bereich des freien Endes des Tauchkolbens bewegbar ist.

Auf der anderen Seite weist der Hohlraum 4 eine Bohrung 9 auf, in der ein aktiver Teil 10 des Tauchkolbens verschiebbar ist, um die Funktion der Druckminderung des Fluids zu gewährlei­ sten, das durch eine (nicht sichtbare) Einlaßöffnung zugeführt wird, die mit der Bohrung 9 über eine in dieser mündende radiale Leitung 12 verbunden ist, während an dem Ende der Bohrung 9 eine Auslaßöffnung 13 vorgesehen ist. Der aktive Teil oder der Kolben 10 besitzt eine axiale Aus­ sparung 22, die an der Basis des Kolbens 10 auf der Seite der Auslaßöffnung 13 mündet, sowie eine radiale Bohrung 23, die mit der Aussparung 22 in Verbindung steht.

Der Tauchkolben 3 besitzt weiterhin einen Schaftteil 14, der sich über dem aktiven Teil 10 befin­ det und koaxial von der Tarierungsfeder 6 umgeben ist. Dieser Schaftteil 14 tritt durch den Teller 8 und endet in einem verbreiterten Kopf 15, der eine Halteschulter 16 für den Teller bildet.

Zwischen dem Teller 8 und einer in dem Körper 1 ausgebildeten Schulter ist koaxial zu dem Schaft 14 eine Rückstellfeder 17 angeordnet. Sie dient dazu, den Teller nach oben, d. h. in Rich­ tung auf die der minimalen Tarierung entsprechende Position zurückzustellen.

Über dem Teller 8 befindet sich ein Stößel 18, der frei gleitend in einer Bohrung des Körpers bewegbar ist und teilweise aus dem Körper heraustritt, so daß er mit einer Nockenscheibe 19 in Kontakt steht, die durch ein Betätigungsorgan, z. B. eine Handhabe 21, um eine Achse gedreht werden kann.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist bekannt. Für weitere Erläuterungen kann man die oben erwähnten Dokumente FR 2 376 978 oder FR 2 507 732 heranziehen.

In der oben beschriebenen bekannten Vorrichtung ist die Reglerfeder 6 eine genormte Schrau­ benfeder, die aus einem Metalldraht mit homogener Geometrie, insbesondere mit konstantem Querschnitt, besteht, der zu einer schraubenförmigen Wicklung mit konstantem Wicklungs­ schritt und konstantem Durchmesser ausgeformt ist. Wie weiter oben erläutert wurde, liefert diese lineare Reglerfeder für sich allein eine lineare Regelkennlinie, deren Steigung durch die Steifigkeit der Feder bestimmt wird.

Wenn man eine Regelkennlinie mit zweifacher Steigung (zwei aufeinanderfolgenden linearen Abschnitten mit unterschiedlichen Steigungen) haben möchte, ist es bekannt, der Feder 6 eine zweite Feder mit abweichender Kennung hinzuzufügen.

Da im Innern des Druckminderers nur wenig Platz zur Verfügung steht, sah man sich veranlaßt, die zweite Reglerfeder 24 im Innern des Stößels 18 anzuordnen, der zu diesem Zweck ausge­ bohrt ist.

Wie Fig. 1 zeigt, besitzt der Stößel 18 eine axiale Aussparung 25, die sich über fast seine ganze Länge erstreckt, so daß die dort aufgenommene zweite Reglerfeder 24 sich in unkomprimiertem Zustand (der in Fig. 1 dargestellt ist) nur über einen Teil der Länge der Aussparung 25 erstreckt, wobei im oberen Teil der Aussparung ein leerer Zwischenraum verbleibt.

Die zweite Feder 24 stützt sich mit ihrem unteren Ende an einem zusätzlichen Stößel 26 ab, der in der Aussparung 25 geführt ist und auf dem Kopf 15 des Tauchkolbens 3 ruht. Der zusätzliche Stößel 26 verlängert sich nach oben in einem axialen Finger 27, der als Führung für die ihn um­ schließende Feder dient.

Wenn der Stößel 18 unter der Einwirkung der Neigung der Nockenscheibe 19 nach unten zu­ rückgestoßen wird, ist am Anfang des Weges des Stößels 18 nur die Reglerfeder 6 wirksam. Dies gilt solange, bis die zweite Feder 24 mit dem Boden der in dem Stößel angebrachten Aus­ sparung 25 in Berührung kommt. Die Regelkennlinie ist dann linear und hat eine Steigung, die durch die Kennwerte der Reglerfeder 6 bestimmt wird.

Sobald die zweite Feder 24 mit dem Boden der Aufnahme 25 in Berührung kommt, wird die Re­ gelkennlinie von den beiden Federn 6 und 24 bestimmt, die dann in Serie wirksam sind. Die Re­ gelkennlinie bleibt weiter linear, ihre Steigung wird jedoch durch die Kennwerte der beiden Fe­ dern 6 und 24 bestimmt.

Eine solche Montageanordnung entspricht also den Anforderungen der Praxis und ist bezüglich des erzielten Ergebnisses durchaus befriedigend.

Die Konstruktion der Vorrichtung ist jedoch kompliziert, da sie eine spezielle Bearbeitung des Stößels erfordert (es handelt sich also nicht mehr um einen Normstößel) und außerdem zusätzli­ che Teile erforderlich macht (zweite Feder 24, zusätzlicher Stößel 26). Dadurch erhöhen sich die Kosten der Vorrichtung.

Darüber hinaus ermöglicht eine solche Anordnung zwar eine Regelkennlinie mit zweifacher Stei­ gung, wobei relativ einfache Konstruktionsbedingungen beibehalten werden. Es ist in der Praxis jedoch nicht möglich, mit Mitteln dieser Art eine Struktur zu realisieren, die eine Regelkennlinie mit wenigstens drei linearen Abschnitten liefert, oder aber eine gekrümmte Regelkennlinie mit progressiver Steigung, wenn dies erwünscht ist.

Man kann schon jetzt erkennen, daß wegen der geringen Abmessungen der Bauteile der Vor­ richtung (Fig. 1 ist gegenüber den realen Abmessungen deutlich vergrößert) und wegen der ein­ ander angenäherten Positionen der Druckminderer im Innern des Körpers (vier Druckminderer, die kreuzweise und jeweils zu zweien einander gegenüberliegend angeordnet sind) kein Raum für die Unterbringung zusätzlicher Reglerfedern zur Verfügung steht. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist in der Praxis die einzige mögliche Realisierungsform, wenn der verfügbare Raum beengt und überfüllt ist.

Hauptziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und eine verbesserte und preiswerte Anordnung vorzuschlagen, die eine Regelkennlinie beliebiger Form ermöglicht, ohne daß zusätzliche Teile erforderlich sind und ohne daß die vorhandenen Teile verändert wer­ den müssen (indem insbesondere Normstößel ohne zusätzliche Bearbeitungen beibehalten werden), wobei letztlich die Herstellkosten so niedrig wie möglich sein sollen.

Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Ta­ rierungsfeder eine Einzelfeder ist und als Schraubenfeder mit variablem Wicklungsschritt aus­ gebildet ist, so daß die Regelkennlinie des Fluiddrucks, die durch eine Betätigung des Steueror­ gans gewonnen wird, bei der die Tarierungsfeder zumindest teilweise komprimiert wird, eine variable Steigung besitzt.

Es bleibt daher in der Praxis bei der gleichen Anzahl von Teilen wie bei der früheren Vorrichtung. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, im Innern der Vorrichtung einen größeren freien Raum in axialer Richtung zur Verfügung zu stellen.

In der Praxis zielen die Anforderungen der Benutzer am häufigsten auf Rückstellkennlinien mit zwei aufeinanderfolgenden linearen Abschnitten, die unterschiedliche Steigungen haben. In die­ sem Fall sieht man vor, daß die Tarierungsschraubenfeder wenigstens zwei aufeinanderfolgende Teilstücke mit unterschiedlichen Wicklungsschritten besitzt.

Die allgemeinen Bedingungen für die Ausführung der Erfindung erlauben es jedoch auch, auf ebenso einfache Weise und ohne Änderung der Gegebenheiten im Innern der Vorrichtung, For­ derungen nach komplexeren Regelkennlinien zu erfüllen, die mehrere lineare Abschnitte mit un­ terschiedlichen Steigungen oder sogar einen gekrümmten Verlauf aufweisen oder die lineare Ab­ schnitte und gekrümmte Abschnitte miteinander kombinieren, wenn ein entsprechender Bedarf besteht. Zu diesem Zweck sieht man vor, daß der Wicklungsschritt der Tarierungsschraubenfe­ der zumindest über einen Teil ihrer Länge kontinuierlich variiert, damit die Regelkennlinie über zumindest einen Teil ihrer Länge gekrümmt ist.

Durch die Anordnungen gemäß der Erfindung gewinnt man die gewünschte Regelkennlinie mit einer einzigen Schraubenfeder, deren Windungen in geeigneter Weise gewickelt sind, wobei diese Feder einfach an der Stelle der üblicherweise benutzten einfachen Schraubenfeder ange­ ordnet wird. Die anderen Teile der Vorrichtung werden so beibehalten, wie sie waren, und brau­ chen nicht modifiziert werden. Mit anderen Worten, alle Fernsteuervorrichtungen sind in der gleichen Weise und mit den gleichen Bauteilen aufgebaut, und die Anpassung der Regelkennli­ nie der einzelnen Druckregler beruht einzig auf der Auswahl der geeigneten einzigen Feder.

Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Ersparnis nicht nur bei der Herstellung, sondern auch bei der Montage und der Wartung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die folgende ausführliche Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, auf die Erfindung natürlich nicht beschränkt ist.

In dieser Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen:

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Teils einer Verteilervorrichtung gemäß der Er­ findung in geschnittener Darstellung,

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Schraubenfeder mit zweifachem Wicklungs­ schritt, die eine Regelkennlinie mit zwei linearen Abschnitten mit unterschiedlichen Steigungen ermöglicht,

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine Regelkennlinie mit zwei linearen Abschnitten mit unter­ schiedlichen Steigungen, die sich mit Hilfe der Feder von Fig. 3 erzielen läßt,

Fig. 5A und 5B zeigen vereinfachte Ansichten zweier Schraubenfedern, mit denen sich kom­ plexe Regelkennlinien erzielen lassen,

Fig. 6 zeigt eine Graphik zweier komplexer Regelkennlinien, die sich mit den Federn von Fig. 5A bzw. 5B erzielen lassen.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Verteilervorrichtung gemäß der Erfindung in geschnittener Darstel­ lung. Die Vorrichtung von Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 im wesentli­ chen dadurch, daß die als Schraubenfeder ausgebildete Reglerfeder 6 von Fig. 1 hier durch eine Schraubenfeder 28 besonderer Art ersetzt ist, für die weiter unten Beispiele angegeben werden. Da die einzige Feder 28 für sich allein ausreicht, die gewünschte Regelkennlinie zu erreichen, sind die zweite Reglerfeder 24 und die entsprechende spezifische Anordnung (Aufnahme 25 in dem Stößel, Stützschale 26 und Führungsfinger 27) hier nicht mehr vorhanden. Der Stößel 18 ist deshalb ein als volles Teil ausgeführter Normstößel, der an seiner Basis mit der für das freie Durchfedern des oberen Endes des Schafts 14 des Kolbens 3 erforderlichen Aussparung ausge­ stattet ist.

Man ersieht, daß die Struktur der in Fig. 2 dargestellten Regelvorrichtung unter diesen Umstän­ den derjenigen einer klassischen Vorrichtung, wie sie in den Zeichnungen der Dokumente FR 2 376 978 oder FR 2 507 732 dargestellt ist, analog ist. Die Reglerfeder 28 selbst hat im wesentli­ chen die gleiche Gesamtgeometrie (Länge, Außendurchmesser) bei und ist nur bezüglich der Ausbildung ihrer Wicklung modifiziert.

Um eine Regelkennlinie mit zweifacher Steigung 29 zu realisieren, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist (in der die Kräfte als Ordinaten, die Höhe der Federwicklung als Abszissen auf einer umgekehr­ ten Achse aufgetragen sind, deren Werte nach links ansteigen), d. h. eine Regelkennlinie, die z. B. einen ersten linearen Abschnitt 30 mit einer vorbestimmten Steigung besitzt, der dem größten Teil des Regelungsweges entspricht, gefolgt von einem zweiten linearen Abschnitt 31 mit grö­ ßerer Steigung im Endbereich des Regelungsweges, benutzt man eine Reglerfeder 28, die sich von einem vorbestimmten Schwellwert an bezüglich eines Kennwerts ändert.

In der Praxis ist dieser Kennwert vorzugsweise der Wicklungsschritt des Federdrahts, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Feder 28A besitzt ein erstes Teilstück 33 mit relativ eng beieinander­ liegenden Windungen und ein zweites Teilstück 34, dessen Windungen relativ weniger nahe bei­ einanderliegen, wobei alle Windungen im wesentlichen den gleichen Wicklungsdurchmesser haben und aus dem gleichen Metalldraht bestehen, der überall die gleiche Zusammensetzung und den gleichen Querschnitt besitzt.

Wenn das Komprimieren der Feder 28A beginnt, ist praktisch nur das erste Teilstück 33 mit den relativ nahe beieinanderliegenden Windungen wirksam, das eine geringere Steifigkeit besitzt und eine Regelung bewirkt, die sich entsprechend dem ersten Abschnitt 30 der Kennlinie 29 von Fig. 4 linear ändert. Wenn alle Windungen des ersten Teilstücks 33 aufeinanderliegen, wird das zwei­ te Teilstück 34, dessen Windungen weiter voneinander entfernt sind und das deshalb eine grö­ ßere Steifigkeit hat, wirksam und bewirkt eine Regelung entsprechend dem zweiten Abschnitt 31 der Kennlinie 29 von Fig. 4, der eine größere Steigung hat.

Eine Feder mit zweifachem Wicklungsschritt, wie sie in Fig. 3A dargestellt ist, läßt sich ohne be­ sondere Schwierigkeiten und mit akzeptablen Kosten herstellen. Es ist so möglich, eine Rege­ lungsvorrichtung zu realisieren, deren Kosten diejenigen einer herkömmlichen Vorrichtung kaum übersteigen.

Die Anordnungen gemäß der Erfindung können darüber hinaus dazu benutzt werden, um auch sehr viel komplexere Regelkennlinien zu realisieren, wobei der in Fig. 2 dargestellte einfache strukturelle Zusammenhang beibehalten wird.

So erweitert z. B. die in Fig. 5A dargestellte Feder 28D die in Fig. 3 dargestellte Anordnung auf eine größere Zahl von Teilstücken 39, 40, 41 bzw. 42 mit unterschiedlichen Wicklungsschritten (wobei die Größe der Wicklungsschritte, von denen hier vier vorgesehen sind, anwächst). Eine solche Feder liefert die in Fig. 6 dargestellten Regelkennlinie 43, die aus vier aufeinanderfolgen­ den linearen Abschnitten 44, 45, 46 und 47 besteht, die unterschiedliche und wachsende Stei­ gungen haben.

Die in Fig. 5B als weiteres Beispiel dargestellte Feder 28E besteht aus einem Draht mit identi­ schem Querschnitt, der mit einem sich progressiv ändernden Wicklungsschritt auf einen einzi­ gen Durchmesser gewickelt ist. Eine solche Feder liefert eine gekrümmte Regelkennlinie 48 (Fig. 6) ohne singulären Punkt (kontinuierliche Krümmung).

Die vorangehend beschriebenen Vorrichtungen können selbstverständlich so kombiniert wer­ den, daß man (durch Kombination von einem oder mehreren linearen und gekrümmten Ab­ schnitten) jede gewünschte Regelkennlinie erhält.

Claims (3)

1. Fluidverteilervorrichtung, insbesondere für hydraulische Fernsteuerungen, mit wenigstens einem Druckminderer (2), der in einem Körper (1) montiert ist, und einem Steuerorgan (19) zur Änderung der Tarierung des Druckminderers, wobei der Druckminderer (2) einen Tauchkolben (3) umfaßt, der durch das Steuerorgan in einem in dem Körper (1) vorgesehenen Hohlraum (4) verschiebbar ist, der auf einer Seite eine Aufnahme (5), in der eine Feder zur Tarierung des Druckminderers angeordnet ist, und auf der anderen Seite eine Bohrung (19) bildet, in der ein aktiver Teil (10) des Tauchkolbens (3) verschoben werden kann, um die Funktion des Fluiddruck­ minderers zu gewährleisten, wobei der Tauchkolben (3) einen Schaftteil (14) besitzt, der den ge­ nannten aktiven Teil überragt und sich im wesentlichen in der genannten Aufnahme erstreckt, und wobei der Schaftteil (14) an seinem freien Ende einen verbreiterten, eine erste Schulter (16) bildenden Kopf (15) und auf der Seite seiner Verbindung mit dem genannten aktiven Teil (10) ei­ ne zweite Schulter (7) aufweist, auf der sich die Tarierungsfeder (6) abstützt, deren anderes En­ de sich an einem Federteller (8) abstützt, deren anderes Ende sich an einem zu dem Schaftteil (14) koaxialen Federteller (8) abstützt, der gegen das Steuerorgan elastisch vorgespannt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tarierungsfeder (28) eine Einzelfeder ist und als Schraubenfeder mit variablem Wicklungsschritt ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tarierungsschraubenfeder (28) wenigstens zwei aufeinanderfolgende Teilstücke (33, 34) mit unterschiedlichem Wicklungs­ schritt aufweist, so daß die Regelkennlinie (29) aus wenigstens zwei aufeinanderfolgenden geradlinigen Ab­ schnitten (30, 31) mit unterschiedlichen Steigungen besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tarierungsschraubenfeder (28) auf wenigstens einem Teil ihrer Länge einen sich kontinuierlich ändernden Wicklungsschritt aufweist, so daß die Regelkennlinie (28) über wenigstens einen Teil ihrer Länge gekrümmt ist.