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Die
Erfindung betrifft Verbesserungen an Fluidverteilervorrichtungen,
insbesondere für
hydraulische Fernsteuerungen, wie sie unter der Bezeichnung ”hydraulische
Manipulatoren” bekannt
sind, mit wenigstens einem Druckminderer, der in einem Körper montiert
ist, und einem Steuerorgan zur Änderung
der Tarierung des Druckminderers, wobei der Druckminderer einen
Tauchkolben umfaßt,
der durch das Steuerorgan in einem in dem Körper vorgesehenen Hohlraum
verschiebbar ist, der auf einer Seite eine Aufnahme, in der eine
Feder zur Tarierung des Druckminderers 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 gewährleisten, 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 seiner Verbindung mit
dem genannten aktiven Teil eine zweite Schulter aufweist, auf der
sich die Tarierungsfeder abstützt,
deren anderes Ende sich an einem Federteller abstützt, der
koaxial zu dem zu dem Schaftteil angeordnet ist und von einer Rückstellfeder
zurückgedrückt wird,
die sich an dem Steuerorgan abstützt.
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Bei
den herkömmlichen
Vorrichtungen des oben beschriebenen Typs ist die Rückstellfeder
eine klassische Schraubenfeder. Eine solche Vorrichtung ist z. B.
in den Dokumenten
FR 2 376 978 oder
FR 2 507 732 beschrieben.
Die Rückstellkennlinie
des hydraulischen Drucks ist bei den bekannten Vorrichtungen dieser
Art im wesentlichen linear, und ihre Steigung wird durch die Steifigkeit
der Rückstellfeder
bestimmt.
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Die
US 4 341 243 zeigt eine
Fluidverteilervorrichtung, welche mehrere Federn verwendet. Die verwendeten
Federn weisen allerdings keine Wicklungsparameteränderung
entlang der Federachse auf. Somit sind keine progressiven Kennlinien
mit mehreren linearen Bereichen vorgesehen.
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Das
Druckregelventil aus der
US 3
698 415 sieht nur gleichmäßige Federn und Federn mit
kontinuierlich sich ändernden
Wicklungsparametern vor, aber keine einzelne Feder mit geknickter
Rückstellkennlinie.
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Die
DE 2 020 678 A sieht
eine kontinuierliche Änderung
von einem Wicklungsparameter vor, um eine progressive Kennlinie
zu erhalten. Allerdings sind keine Kennlinien mit mehreren linearen
Bereichen vorgesehen.
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Eine
einzelne Feder, welche sich durch Bereiche unterschiedlicher Wicklungsdichte
und einer geknickten Rückstelllinie
auszeichnet, ist im Dokument
EP 0 798 489 A2 offenbart. Dieses Dokument zeigt
jedoch keine Fluidverteilervorrichtung.
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Für bestimmte
Anwendungsgebiete möchten die
Benutzer über
komplexere Rückstellkennlinien mit
variabler Steigung verfügen
können
(wobei die Steigung der Rückstellkennlinie
z. B. gegen das Ende des Weges des Steuerorgans ausgeprägter sein
soll). So ist eine Verteilervorrichtung bekannt, bei der die Rückstellkennlinie
des Tauchkolbens zwei Steigungen aufweist. Eine solche Vorrichtung
ist in 1 der anliegenden Zeichnungen dargestellt.
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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 Tauchkolben 3, der in einem
in dem Körper 1 angebrachten
Hohlraum 4 verschiebbar ist. Dieser Hohlraum 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 gewährleisten,
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
Aussparung 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.
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Der
Tauchkolben 3 besitzt weiterhin einen Schaftteil 14,
der sich über
dem aktiven Teil 10 befindet 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.
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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 Richtung auf die
der minimalen Tarierung entsprechende Position vorzuspannen.
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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.
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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.
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In
der oben beschriebenen bekannten Vorrichtung ist die Rückstellfeder 17 eine
Norm-Schraubenfeder, die aus einem Metalldraht mit homogener Geometrie,
insbesondere mit konstantem Querschnitt, besteht, der zu einer schraubenförmigen Wicklung
mit konstantem Wicklungsschritt und konstantem Durchmesser ausgeformt
ist. Wie weiter oben erläutert
wurde, liefert diese lineare Rückstellfeder
für sich
allein eine lineare Rückstellkennlinie,
deren Steigung durch die Steifigkeit der Feder bestimmt wird.
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Wenn
man eine Rückstellkennlinie
mit zweifacher Steigung (zwei aufeinanderfolgenden linearen Abschnitten
mit unterschiedlichen Steigungen) haben möchte, ist es bekannt, der Feder 17 eine
zweite Feder mit abweichender Kennung hinzuzufügen.
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Wie
in 1, dargestellt, ordnet man um den Fuß des Stößels 18 und
um den Teller 8 eine Buchse 25 an, die sich an
die Kontour der Wandung der Aufnahme 5 anschmiegt und an
einer Schulter des Körpers 1 abstützt (im
vorliegenden Fall an der Unterseite eines Propfens 19,
der die Aufnahme verschließt und
dem Stößel 18 als
Führung
dient). Die zweite Rückstellfeder 24 ist
dann zwischen dem unteren Ende der Buchse 25 und einer
in der Wandung der Aufnahme 5 vorgesehenen zweiten Schulter 26 angeordnet.
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Das
untere Ende 27 der Buchse 25 hat in der (in 1 dargestellten)
Ruheposition der Vorrichtung einen nicht unerheblichen Abstand von
der Unterseite des Tellers 8 und ist mit einer inneren
radialen Randleiste ausgestattet, die dem Teller 8 als
Anschlag dienen kann. Der Abstand zwischen dem Teller 8 und
dem unteren Ende 27 der Buchse 25 kann annähend dem
größten Teil
des Hubweges des Tellers und damit des Stößels entsprechen.
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Wenn
der Stößel 18 unter
der Einwirkung der Neigung der Nockenscheibe 19 nach unten
gedrückt wird,
nimmt er den Teller 8 gegen die Rückstellkraft der einzigen Rückstellfeder 17 mit.
Wenn der Teller 8 mit dem Endbereich 27 der Buchse 25 in
Berührung kommt,
wird die Bewegung gegen die Rückstellkraft beider
Federn 17 und 24 fortgesetzt. Wenn der Benutzer
den Hebel 21 betätigt,
kann er den Übergang als
taktile Empfindung wahrnehmen. Eine solche Montageanordnung kann
also dazu dienen, dem Benutzer anzuzeigen, daß er eine vorbestimmte Schwelle überschreitet
oder daß er
in einen spezifischen Arbeitsbereich gelangt. So kann diese Montageanordnung
beispielsweise dem Benutzer anzeigen, daß die Vorrichtung sich ihrer
Endstellung nähert
(der Hebel 21 sich in der Nähe seiner maximalen Neigung
befindet) und daß ein
(in 1 nicht dargestelltes) Verriegelungsmittel in
Aktion treten wird, um die Vorrichtung in ihrer Position maximaler
Neigung zu blockieren.
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Eine
solche Montageanordnung entspricht also den Anforderungen der Praxis
und ist bezüglich des
erzielten Ergebnisses durchaus befriedigend.
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Die
Konstruktion der Vorrichtung ist jedoch kompliziert, weil sie eine
spezielle Bearbeitung des Körpers 1 erfordert
(es handelt sich nicht mehr um einen Norm-Aufnahme 5) und
weil sie außerdem
den Einsatz zusätzlicher
Teile erfordert (zweite Feder 24, Buchse 25).
Dadurch erhöhen
sich die Kosten der Vorrichtung.
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Darüber hinaus
ermöglicht
eine solche Anordnung zwar eine Rückstellkennlinie mit zweifacher Steigung,
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.
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Man
kann schon jetzt erkennen, daß wegen der
geringen Abmessungen der Bauteile der Vorrichtung (1 ist
gegenüber
den realen Abmessungen deutlich vergrößert) und wegen der einander
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
Rückstellfedern
zur Verfügung
steht. Die in 1 dargestellte Anordnung ist
in der Praxis die einzige mögliche
Realisierungsform, wenn der verfügbare
Raum beengt und überfüllt ist.
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Hauptziel
der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen
und eine verbesserte Anordnung vorzuschlagen, die eine Rückstellkennlinie
beliebiger Form ermöglicht,
ohne daß zusätzliche
Teile erforderlich sind und ohne daß die vorhandenen Teile verändert werden
müssen
(indem insbesondere ein Normkörper
ohne zusätzliche
Bearbeitungen beibehalten wird), wobei sich die Herstellkosten nicht
sehr stark von denjenigen herkömmliche
Vorrichtungen unterscheiden sollen, die nur lineare Rückstellkennlinien
mit einer einzigen Steigung ermöglichen.
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Zu
diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückstellfeder
eine einzige Schraubenfeder ist, die eine variable Steifigkeit besitzt,
so daß die
Rückstellkennlinie,
die sich durch eine Betätigung
des Steuerorgans ergibt, bei der die Rückstellfeder zumindest teilweise
komprimiert wird, eine variable Steigung aufweist.
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Zur
Anwendung der Erfindung kann man vorzugsweise eine Schraubenfeder
verwenden, bei der sich wenigstens ein Kennwert, insbesondere ein
geometrischer Kennwert, ändert.
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Um
in der Praxis die gleichen Teil beibehalten zu können wie bei der früheren Vorrichtung
und auch weil sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, einen größeren freien
Raum in radialer Richtung zur Verfügung zu stellen, sieht man
bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vor, daß die Rückstellfeder
eine Schraubenfeder mit variablem Wicklungsschritt ist.
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Wenn
es sich jedoch als notwendig erweist, kann man auch zu anderen Kennwerten
der Feder greifen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Rückstellfeder
eine Schraubenfeder ist, deren Drahtquerschnitt variiert, oder eine
Schraubenfeder, deren Durchmesser variiert.
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In
der Praxis zielen die Anforderungen der Benutzer am häufigsten
auf Rückstellkennlinien
mit zwei aufeinanderfolgenden linearen Abschnitten, die unterschiedliche
Steigungen haben. In diesem Fall sieht man vor, daß die Rückstellschraubenfeder
wenigstens zwei aufeinanderfolgende Teilstücke mit unterschiedlichen Wicklungsparametern
(Wicklungsschritt, Durchmesser, Drahtquerschnitt) aufweist.
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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, Forderungen nach komplexeren
Rückstellkennlinien
zu erfüllen, die
mehrere lineare Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen oder
sogar einen gekrümmten
Verlauf aufweisen, oder die lineare Abschnitte und gekrümmte Abschnitte
miteinander kombinieren, wenn ein entsprechender Bedarf besteht.
Zu diesem Zweck sieht man vor, daß die Rückstellschraubenfeder aufeinanderfolgende
Abschnitte mit unterschiedlichen Wicklungsparametern aufweist oder
aber einen kontinuierlich über
wenigstens einen Teil ihrer Länge
variierenden Wicklungsparameter, damit die Rückstellkennlinie über zumindest
einen Teil ihrer Länge
gekrümmt
ist.
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Durch
die Anordnungen gemäß der Erfindung
gewinnt man die gewünschte
Rückstellkennlinie
mit einer einzigen Schraubenfeder, deren Windungen in geeigneter
Weise gewickelt sind, wobei diese Feder einfach an der Stelle der üblicherweise benutzten
einfachen Schraubenfeder angeordnet wird. Die anderen Teile der
Vorrichtung werden so beibehalten, wie sie waren, und brauchen nicht
modifiziert werden. Mit anderen Worten, alle Fernsteuervorrichtungen
sind in der gleichen Weise und mit den gleichen Bauteilen aufgebaut,
und die Anpassung der Rückstellkennlinie
der einzelnen Druckregler beruht einzig auf der Auswahl der geeigneten
einzigen Rückstellfeder.
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Hierdurch
ergibt sich eine wesentliche Ersparnis nicht nur bei der Herstellung,
sondern auch bei der Montage und der Wartung.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung dient die folgende ausführliche Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele,
auf die Erfindung natürlich nicht
beschränkt
ist.
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In
dieser Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen:
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schema eines Teils einer Verteilervorrichtung
gemäß der Erfindung in
geschnittener Darstellung,
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3A, 3B und 3C zeigen
vereinfachte Ansichten verschiedener Typen von Schraubenfedern,
die eine Rückstellkennlinie
mit zwei linearen Abschnitten mit unterschiedlichen Steigungen ermöglichen,
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4 zeigt
ein Beispiel für
eine Rückstellkennlinie
mit zwei linearen Abschnitten mit unterschiedlichen Steigungen,
die sich mit Hilfe einer Feder nach 3A bis 3C erzielen
läßt,
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5A und 5B zeigen
vereinfachte Ansichten zweier Schraubenfedern, mit denen sich komplexe
Regelkennlinien erzielen lassen,
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6 zeigt
eine Graphik zweier komplexer Regelkennlinien, die sich mit den
Federn von 5A bzw. 5B erzielen
lassen.
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2 zeigt
einen Teil einer Verteilervorrichtung gemäß der Erfindung in geschnittener
Darstellung. Die Vorrichtung von 2 unterscheidet
sich von der Anordnung nach 1 im wesentlichen
dadurch, daß die
als Schraubenfeder ausgebildete Rückstellfeder 17 von 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 Rückstellkennlinie
zu erreichen, sind die zweite Rückstellfeder 24 und
die entsprechende spezifische Anordnung (verbreiterte Aufnahme 5,
Buchse 25) hier nicht mehr vorhanden. Die Aufnahme 5 ist
deshalb eine Norm-Aufnahme, und es ist nicht mehr notwendig, einen
speziell bearbeiteten Körper 1 vorzusehen.
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Man
ersieht, daß die
Struktur der in
2 dargestellten Regelvorrichtung
unter diesen Umständen
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 Rückstellfeder
28 selbst
hat im wesentlichen die gleiche Gesamtgeometrie (Länge, Außendurchmesser) und
ist nur bezüglich
der Ausbildung ihrer Wicklung modifiziert.
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Um
eine Rückstellkennlinie
mit zweifacher Steigung 29 zu realisieren, wie sie in 4 dargestellt
ist (in der die Kräfte
als Ordinaten, die Höhe
der Federwicklung als Abszissen auf einer umgekehrten Achse aufgetragen
sind, deren Werte nach links ansteigen), d. h. eine Rückstellkennlinie,
die z. B. einen ersten linearen Abschnitt 30 mit einer
vorbestimmten Steigung besitzt, der dem größten Teil des Rückstellweges
entspricht, gefolgt von einem zweiten linearen Abschnitt 31 mit
größerer Steigung
im Endbereich des Rückstellweges,
benutzt man eine Rückstellfeder 28,
die sich von einem bestimmten Schwellwert an bezüglich eines Kennwerts ändert.
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In
der Praxis ist dieser Kennwert vorzugsweise der Wicklungsschritt
des Federdrahts, wie dies in 3A 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 beieinander liegen, 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.
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Wenn
das Komprimieren der Feder 28A beginnt, ist praktisch nur
das erste Teilstück 33 mit
den relativ nahe beieinander liegenden Windungen wirksam, das geringere
Steifigkeit besitzt und eine Rückstellkraft
erzeugt, die sich entsprechend dem ersten Abschnitt 30 der
Kennlinie 29 von 4 linear ändert. Wenn
alle Windungen des ersten Teilstücks 33 aufeinander
liegen, wird das zweite Teilstück 34,
dessen Windungen weiter voneinander entfernt sind und das deshalb
eine größere Steifigkeit
hat, wirksam und bewirkt eine Rückstellkraft
entsprechend dem zweiten Abschnitt 31 der Kennlinie 29 von 4,
der eine größere Steigung
hat.
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Eine
Feder mit zweifachem Wicklungsschritt, wie sie in 3A dargestellt
ist, läßt sich
ohne besondere Schwierigkeiten und mit akzeptablen Kosten herstellen.
Es ist so möglich,
eine Regelungsvorrichtung zu realisieren, deren Kosten diejenigen
einer herkömmlichen
Vorrichtung kaum übersteigen.
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Die
Rückstellkennlinie
von 4 läßt sich auch
erreichen, indem man Federn benutzt, bei denen ein anderer Kennwert
als der Wicklungsschritt modifiziert wird. Solche Federn sind jedoch
schwieriger herzustellen und teurer, und/oder ihr Raumbedarf in
radialer Richtung ist größer.
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So
besteht z. B. die in 3B dargestellte Feder 28B aus
einem Metalldraht, der mit einem einheitlichen Wicklungsschritt
und einem einheitlichen Außendurchmesser
gewickelt ist. In einem gewissen Punkt ändert sich jedoch der Querschnitt
des Drahts. Dieser Querschnitt ist in einem ersten Teilstück 35 kleiner
(geringere Steifigkeit) und wird in einem zweiten Teilstück 36 größer (größere Steifigkeit).
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Die
in 3C als weiteres Beispiel dargestellte Feder 28C besteht
aus einem Metalldraht mit identischem Querschnitt, der mit einheitlichem
Wicklungsschritt auf zwei unterschiedliche Durchmesser gewickelt
ist, nämlich
einem ersten Teilstück 37 mit großem Durchmesser
(geringe Steifigkeit) und einem zweiten Teilstück 38 mit kleinem
Durchmesser (große Steifigkeit).
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Die
Anordnungen gemäß der Erfindung
können
darüber
hinaus dazu benutzt werden, um sehr viel komplexere Regelkennlinien
zu realisieren, wobei der in 2 dargestellte
einfache strukturelle Zusammenhang beibehalten wird.
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So
erweitert z. B. die in 5A dargestellte Feder 28D die
in 3A 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 6 dargestellten Rückstellkennlinie 43,
die aus vier aufeinanderfolgenden linearen Abschnitten 44, 45, 46 und 47 besteht,
die unterschiedliche und wachsende Steigungen haben.
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Die
in 5B als weiteres Beispiel dargestellte Feder 28E besteht
aus einem Draht mit identischem Querschnitt, der mit einem sich
progressiv ändernden
Wicklungsschritt auf einen einzigen Durchmesser gewickelt ist. Eine
solche Feder liefert eine gekrümmte
Rückstellkennlinie 48 (6)
ohne singulären
Punkt (kontinuierliche Krümmung).
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Die
vorangehend beschriebenen Vorrichtungen können selbstverständlich so
kombiniert werden, daß man
(durch Kombination von einem oder mehreren linearen und gekrümmten Abschnitten)
jede gewünschte
Regelkennlinie erhält.
Die Anpassung einer Rückstellkennlinie
dieser Art kann dem Verlauf einer komplexen Regelkennlinie folgen,
so daß sie dem
Benutzer ein taktiles Empfinden für die Änderung der Regelkennlinie
vermittelt.