DE2002718A1

DE2002718A1 - Servo-Betaetigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2002718A1
Application number: DE19702002718
Authority: DE
Inventors: Geyer Howard Marion
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-22
Publication date: 1970-07-30
Also published as: FR2029001A1; BE744651A; US3555967A

Description

H E.I N Z- LINSER ■ PATENTANWALT · PHYSIKER

6 072 DREI EICHENHAIN BERLI NE R Rl M G 170 R-U F (0 51 03) 8 18 13

1354

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N. Y. /USA |

Servo-Betatigungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung und insbesondere auf eine solche, die einen in einem geschlossenen Kreis eingebauten Stellungsregler besitzt.

Auf vielen Anwendungsgebieten für hydraulische Betätigungsvorrichtungen ist erwünscht, daß diese einen eingebauten Stellungsregler besitzen, so daß die ausgefahrene Stellung der Betätigungsvorrichtung einem Eingangssignal proportional ist, das an die Betätigungsvorrichtung angelegt wird. Eine Betätigungsvorrichtung mit einem eingebauten Stellungs regler weist zahlreiche Vorteile auf. Hierzu gehört die Möglichkeit, den Betrieb einiger Betätigungsvorrichtungen zu synchronisieren, indem ihr Eingangssignal synchronisiert wird, und bei Anwendungen, bei denen ein geschlossener

009831/1 15 2

Positionskreis erforderlich ist, aber die Betätigungsvorrichtung von ihrer Steuerung entfernt angeordnet ist, eine Positionssteuerung vorzusehen, ohne daß ein komplizierter mechanischer Rückkopplungsmechanismus zwischen der Betätigungsvorrichtung und ihrer Steuerung notwendig ist.

Es sind bereits zahlreiche Betätigungsvorrichtungen mit eingebauten Stellungsreglern bekannt. Bei den bekannten Konstruktionen jedoch müssen beträchtliche mechanische Vereinfachungen durchgeführt werden, um die Zuverlässig- W keit und die Haltbarkeit zu verbessern, sowie die Herstellungskosten zu senken.

Gemäß vorliegender Erfindung ist daher bei einer Betätigungsvorrichtung, die einen Zylinder und einen in diesem Zylinder gleitenden Kolben besitzt, in dem sich eine Aus- und Einfahrkammer befindet, und in dem eine drehbare Schraubspindel gelagert ist, die mit dem Kolben derart verbunden ist, daß sie sich bei einer Verschiebung desselben dreht, ein Regelorgan angeordnet, das durch den Zylinder getragen wird, wobei das Regelorgan durch ein zylindrisches verschieb- und drehbar gelagertes Element gekennzeichnet ist, ^ das auf seiner Oberfläche eine spiralförmige Einfräsung

besitzt, sowie Signaleingangsmittel zur Bewirkung einer Verschiebung der Einfräsung in Bezug auf den Zylinder und Rückkopplungsvprrichtungen zur Bewirkung einer umgekehrten Verschiebung der Einfräsung in Bezug auf den Zylinder aufweist, wobei die Rückkopplungsvorrichtungen mit der Schraubspindel verbunden sind; und wobei ferner Regelorgane vorgesehen sind, um ein unter Druck stehendes Strömungsmittel getrennt in eine der Aus- oder Einfahrkammern zu leiten, und um die äußere der Kammern zu belüften, wobei dieses Regelorgan einen Betätigungshebel besitzt, der in dieser Eimfräsung geführt wird.

009831/1152

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung als Beispiel eine Ausführungsform derselben dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Schnittansicht einer Betätigungsvorrichtung;

Figur 2 eine teilweise gebrochene perspektivische Schnittansicht der Signaleingangs- und Rückkopplungsvorrichtung, die in der Betätigungsvorrichtung nach Figur 1 enthalten ist, und

Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausfüh- j

rungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Schnitt einer Betätigungsvorrichtung 20, in der die vorliegende Erfindung enthalten ist. Die Betätigungsvorrichtung 20 besteht aus einem Gehäuse 22, das einen Zylinder 24 umschließt, der eine zylindrische Bohrung 26 und ein ausgedehntes Kopfende 28 zur Aufnahme der Servokomponenten besitzt; ferner aus einem Kolben 30, der eine Ausfahrkammer 32 und eine Einfahrkammer 34 in dem Zylinder 24 festlegt, und aus einem zylindrischen Stab 36, der sich durch ein Ende des Gehäuses 22 erstreckt und der ein Servo-Regelorgan 38 besitzt, das auf dem Kopfende 28 der Betätigungsvorrichtung 20 gelagert ist, und wobei fer- "

ner Vorrichtungen zur Erzeugung eines..Eingangssignals und einer Rückkopplung zum Servo-Regelorgan 38 vorgesehen sind. Der Kolben 30 besitzt einen Schraubeinsatz 40 mit einer großen Gewindesteigung, der mit ihm drehbar befestigt ist, wobei der Kolben 30 selbst an eine Drehung relativ zum Gehäuse 22 durch eine kombinierte Befestigungsvorrichtung 42, die mit dem äußeren Ende der Kolbenstange 36 verbunden ist und einem Bügelelement (nicht dargestellt) mit dem die Kolbenstange 36 zur Betätigung desselben verknüpft ist, gehindert wird. Eine mit einer großen Gewindesteigung

009831/1152

versehene Spindel 44 ist in dem Gehäuse 22 durch ein Lager 46 neben dem Kopfende der zylindrischen Bohrung 26 gelagert und ist mit d^em Schraubeinsatz 40 derartig verknüpft, daß eine axiale Bewegung des Kolbens 30 eine Rotation der Spindel 44 um einen Winkel bewirkt, der der axialen Bewegung proportional ist. Die Spindel 44 besitzt ein zweites mit einem Gewinde versehenes Teil 48, das sich über das Lager 46 in Richtung des Kopfendes 28 der Betätigungsvorrichtung 20 hinaus erstreckt, und ist mit der Signaleingangs- und Ausgangs,vorrichtung des Servo-Regelorgans 38 verschraubbar verbunden.

Die Signaleingangs- und Ausgangsvorrichtung des Servo-Regelorgans 38 besteht aus einer Signaleingangswelle 50, die in einem Lager 52 in dem Kopfende 28 der Betätigungsvorrichtung 20 drehbar gelagert ist, und aus einem zylindrischen Element 54, das auf seiner Oberfläche eine Einfräsung 56 aufweist, wobei das zylindrische Element 54 an einen Ende mit der Signaleingangswelle 50 derartig verbunden ist, daß es sich axial verschieben kann, und ist mit ihm hinsichtlich der Drehung verriegelt und mit seinem anderen Ende mit dem zweiten Schraubteil 48 der Gewindespindel 44 und dem Betätigungshebel 58, der mit seinem einen Ende in der Einfräsung 56 läuft, schraubbar verbunden, und an seinem anderen Ende mit dem Kolben 60 des Servo-Regelorgans 38 verbunden, wobei der Betätigungshebel 58 an einem Punkt 62 in der Mitte seiner beiden Enden mit dem Gehäuse 22 der Betätigungsvorrichtung 20 schwenkbar befestigt ist.

Wie aus Figur 2 zu entnehmen ist, reicht die Signaleingangswelle 50 gleitend in eine Bohrung, die zur äußeren Oberfläche des zylindrischen Elementes 54 konzentrisch verläuft. Eine relative Drehung zwischen der Signaleingangswelle 50 und dem zylindrischen Element 54 ist durcheinen axialen Schlitz 66 auf der Oberfläche der

009831/1152

Signaleingangswelle 50 in Kombination mit einer Verschließ- ' vorrichtung 68 ausgeschlossen, die mit dem zylindrischen Element 54 verbunden ist und in dem Schlitz 66 gleitet. Um die gleiche Funktion zu erreichen, kann auch ein passender Splint oder andere Vorrichtungen bei dem vergrößerten Ende der Signaleingangswelle und dem zylindrischen Element vorgesehen sein.

Das innere Ende des zylindrischen Elementes 54 besitzt ein inneres Gewinde 70, das in die äußere Verschraubung der Schraubspindel 44 eingreift. Wenn daher die Signaleingangs- |

welle 50 durch Ansprechen auf ein äußeres Steuersignal gedreht wird, so wird das zylindrische Element 54 relativ zur Gewindespindel 44 gedreht, und angenommen daß der Kolben 30 sich vorübergehend in einer bestimmten Position befindet, dreht sich das zylindrische Element 54 auch relativ zum Gehäuse 22 der Betätigungsvorrichtung 20. Wie aus Figur hervorgeht, bewirkt diese Drehung kombiniert mit der Schraubwirkung der spiralförmigen Einfräsung 56 auf dem zylindrischen Element 54, daß der Betätigungshebel 58 sich um den Punkt 62 dreht und den Kolben 60 des Servo-Regelorgans bewegt, derart, daß ein unter Druck stehendes hydraulisches Strömungsmittel entweder zur Ausfahrkammer 32 oder zur Einfahrkammer 34 geleitet wird und !zwar in Abhängigkeit von I der Bewegungsrichtung des Kolbens 60 des Servo-Regelorgans. .Eine Rückkopplung um den Servo-Kolben wieder in die Ausgangsposition zurückzubringen, wird erreicht, wenn die Gewindespindel 44 sich durch Ansprechen auf die Bewegung des Kolbens 30 dreht, und bewirkt, daß das Teil 48 sich mit dem Gewinde 70 zurückzieht, und das zylindrische Element 54 in eine Richtung, die umgekehrt zu derjenigen ist, die durch das Eingangssignal verursacht wurde, verschiebt.

Das Servo-Regelorgan 38 besteht aus einem Gehäuse 72, das eine zylindrische Bohrung 74 besitzt, in der der Kolben 60 gleiten kann. Der Kolben 60 weist an seinen Enden Stege 76

009831/1152

und 78 auf, welche die Bohrung 74 dicht verschließen, so daß eine Leckage des hydraulischen Strömungsmittels daraus verhindert wird, und ferner ein Paar dazwischen befindlicher Stege 80 und 82, die untereinander und von den Endstegen 76 und 78 entfernt angeordnet sind. Der Teil des Kolbens 60, der die Stege 76, 78, 80 und 82 verbindet, besitzt einen verringerten Querschnitt, so daß zwischen den Teilen des Kolbens mit verringertem Querschnitt und den Zylinderwänden des Servo-Regelorgans 38 ringförmige Strömungskanäle 84, 86 und 88 entstehen. Das Gehäuse 72 besitzt einen Anschluß 90, der sich zwischen den ersten Endsteg und dem ersten Zwischensteg 82 befindet und einen zweiten Anschluß 92, der sich zwischen dem zweiten Endsteg 78 und den zweiten Zwischensteg 80 befindet, wobei die zwei Anschlüsse 90 und 92 durch geeignete Leitungen 94 untereinander mit einer hydraulischen Rückleitung verbunden sind. Ein dritter Anschluß 96 ist am Gehäuse 72 vorgesehen und zwischen den Zwischenstegen 80 und 82 angeordnet und mit einer hydraulischen Versorgung verbunden. In dem Gehäuse sind zwei Ringräume 98 und 100 an den Stellen vorgesehen, die mit den Stellungen der zwei Kolbenzwischenstege 80 und 82 übereinstimmen, wenn der Kolben 60 sich in Nullstellung befindet. Diese Ringräume 98 und 100 besitzen eine Weite, die nur geringfügig kleiner ist als die axiale Länge der Stege 80 und 82 und sind durch geeignete Leitungen 102 und 104 mit der Ausfahrkammer 32 und der Einfahrkammer 34 entsprechend verbunden. Das Ende des Kolbens 60, das mit dem äußeren ersten Steg 68 versehen ist, besitzt eine Verlängerung 106, die mit dem Betätigungshebel 58, wie zuvor beschrieben, drehbar verbunden ist.

Die Funktionsweise der Betätigungsvorrichtung 20 geht nun folgendermaßen vor sich. Wenn die Richtung des Eingangssignals mit derjenigen, die durch den Pfeil 108 angezeigt ist, übereinstimmt, dreht das zylindrische Element 54 die spiralförmige Einfräsung 56 und verschiebt es um einen bestimmten

009831/1152

— 7 —

Betrag in Richtung des Pfeiles 110 und bewirkt eine Verschiebung des unteren Endes des Betätigungshebels 58. Der Kolben des Servo-Regelorgans wird'„yon dem Ende des Betätigungshebels des Servo-Regelorgans 38 weg verschoben, wodurch der erste Zwischensteg 82 den ersten..Jli.ng.raum 98 frei gibt, und die damit die Strömungsmittel rück l.e itung frei gibt, die die Einfahrkammer 34 mit der Rückleitung über die Leitung 104 verbindet.. Gleichzeitig bewegt sich der zweite Zwischensteg BO₁Um den zweiten Ringraura 1OO für den hydraulischen Versorgungsanschluß frei zu geben, wodurch ein St römungsm it te Id ruck über die Leitung 102 erzielt;, wird,, um die Kammer 32 auszudehnen. Ein umgekehrt gerichtetes Eingangssignal würde natürlich eine direkt umgekehrte Wirkung erzielen.

Bei Einlaß eines unter Druck stehenden Strömungsmittels um die Kammer 32 auszudehnen, beginnt der Kolben 30 sich in Richtung, die durch den Pfeil 112 angezeigt ist, zu bewegen. Diese axiale Verschiebung des Kolbens 30 bewirkt eine entsprechende Drehung der Schraubspindel 44, die der kolbenbewegung proportional ist, wobei die Drehung eine entsprechende Verschiebung des zylindrischen Elementes 54 relativ zur Schraubspindel 44 bewirkt, und zwar mit Hilfe der Schraubverzahnung der Verschraubung 48 der Schraubspindel 44 mit dem inneren Ende des zylindrischen Elementes 54. Angenommen die Signaleingangswelle 50 befindet sich nun in einer stetigen Drehposition, so erfolgt ebenfalls eine g

Verschiebung des zylindrischen Elementes 54 relativ zum Gehäuse 22 in umgekehrter Richtung zu derjenigen, die durch die Eingangsdrehung der Signaleingangswelle 50 bewirkt wird, die den Betätigungshebel 58 in eine -Richtung schwenkt, so daß die Zulief erung des Strömungsmittels um die Kammer 32 auszudehnen, abgestellt wird. Sollte der Kolben 30 über die durch die Eingangswelle geforderte Stellung hinausgehen, so wird sich der Kolben 60 des Servo-Regelorgans in eine Stellung bewegen, die es einem unter Druck stehenden"*Stx^;ömüngsmitiel erlaubt, in die Einfahfkammer 34 zu geTangen und wodurch die* Kammer 32 eritlüf-* tet wird und der'Kolben 3Ö somit in Richtung einer Stellung

zurückgeführt wird, die durch die Winkelposition der Eingangswelle 50 gefordert wird. In Abhängigkeit von der dynamischen Charakteristik des Systems kann sich dieser Kreislauf einige wenige Male wiederholen, bis der Kolben 30 sich in oder in der Nähe der geforderten Position befindet.

In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier ist.nur der Eingang, die Rückkopplung und das Servo-Regelorgan gezeigt, während der restliche Teil der Betätigungsvorrichtung ähnlich wie die in Figur 1 ge-P zeigte konstruiert ist. Die Betätigungsvorrichtung besteht aus

einer Schraubspindel 114 ähnlich derjenigen, die in Figur 1 dargestellt ist, welche auch in ähnlicher Weise durch" Lager, die am Kopfende der Bohrung der Betätigungsvorrichtung befestigt sind, gelagert ist. Die Eingangsrückkopplungsvorrichtung besteht aus

1) einem zylindrischen Element, oder einer Welle 116, die durch nicht näher dargestellte, am Kopfende der Betätigungsvorrichtung befindliche Lager, dreh- und verschiebbar gelagert ist,

.2) einer Schnecke 118, die konzentrisch zum zylindrischen Element 116 verläuft, und mit diesem befestigt ist,

^ 3) einem hohlförmigen zylindrischen Kragen 120, der zur

Schraubspindel 114 konzentrisch angebracht ist, und mit ihm integral verbunden ist,

4.) Vorrichtungen 122 um die Schnecke 118 gleitend zu tragen und hinsichtlich der Drehung mit dem hohlförmigen zylindrischen Kragen 120 zu verriegeln,

5) einer Signaleirifrangswelle 124, die im Gehäuse der Betätigungsvorrichtung unter einem rechten Winkel zur Achse derselben, gelagert ist,

6) einem Schneckenrad 126, das mit der Signaleingangswelle gesichert ist und mit der Schnecke 118 in Eingriff steht, und

0 0 9 8 3 1/11??

7) einem Betätigungshebel 128, der bei 130 mit dem Gehäuse . der Betätigungsvorrichtung schwenkbar befestigt ist und dessen anderes Ende in einer Einfräsung im zylindrischen Element 116 läuft, und ist zwischen seinen Enden mit einem Kolben 134 in dem Servo-Regelorgan 136 drehbar befestigt, das einen Aufbau besitzt, der mit dem in Figur 1 dargestellten identisch ist. ,

Die Vorrichtung, durch die der hohlförmigezylindrische .. Kragen 120 am Ende der Schraubspindel 114 gleitend verbunden und mit der Schnecke 118 gegen eine Drehung verriegelt ist, kann aus dem aufgeschnittenen Teil des hohlförmfgen Kragens 120 entnommen werden. Die Schnecke 118 besitzt an . i

ihrem inneren Ende ein vergrößertes zylindrisches Teil 138 und eine Verriegelung 140, die aus einem Teil der zylindrischen Oberfläche herausragt, wobei der hohlf örmige zylindrische Kragen 120 einen entsprechenden Schlitz 142 besitzt, der sich fast Über die gesamte Länge desselben erstreckt. Die Dimensionierung zwischen dem hohlförmigen zylindrischen Kragen 120, dem zylindrischen Teil 138, am Ende der Schnecke 118, dem Schlitz 142 und der Verriegelung 140 ist derart, daß das zylindrische Teil 138 in dem hohlförmigen zylindrischen Kragen 140 frei gleiten kann. Wie bereits in Verbindung mit Figur 1 erläutert wurde, kann ein passender Splint oder andere geeignete Drehblockierungsvorrichtungen, die d

dargestellte Konstruktion ersetzen.

Während] des Betriebes bewirkt eine Drehung der Eingangswelle 124 von außen her, eine Drehung des Schneckenrades und eine entsprechende Verschiebung der Schnecke 118 und des zylindrischen Elementes 116 wegen der Zahnstangenwirkung zwischen der Schnecke 118 und dem Schneckenrad 126. Eine Verschiebung des zylindrischen Elementes 116 und der Einfräsung 132 auf der Oberfläche desselben bewirkt, daß sich der Betätigungshebel 128 um den Stift 130 schwenkt, wodurch

009831/1152

eine entsprechende Bewegung des Kolbens 134 des Servoregelorgans verursacht wird und ein Hochdruck-Ströaungsmittel entweder zur Ein- oder zur Ausfahrkammer der Betätigungsvorrichtung in einer Weise gelenkt wird, die ähnlich derjenigen ist, welche in Verbindung mit Figur 1 beschrieben wurde. Hierauf stellt sich eine entsprechende Bewegung des Kolbens der Betätigungsvorrichtung ein, wodurch eine proportionale Drehung der Schraubspindel 114 bewirkt wird und aufgrund der Drehverriegelung der Schraubspindel 114 und der Schnecke 118 wird erreicht, daß die Schnecke 118 sich axial auf dem Schneckenrad 126 in umgekehrter Richtung zur Eingangsverschiebung verschiebt. Hierdurch wird bewirkt, daß der Kolben 134 des Servo-Regelorgans über das Gestänge, das aus dem Betätigungshebel 128 besteht, sich eine Nullstellung sucht. Wie in Verbindung mit Figur 1 erläutert wurde, bewirkt jedes über die geforderte Stellung Hinausgehen des Kolbens, daß das Servo-Regelorgan 136 den Fluß des Hochdruck-StrömungsmitteIs zwischen der Ein- und Ausfahrkammer umkehrt, wodurch der Kolben in Richtung der geforderten Position zurückkehrt.

0098 31/1152

Claims

Pa te ηtansprüche

!.!Betätigungsvorrichtung bestehend aus einem Zylinder, ^J/ einem in dem Zylinder verschiebbaren Kolben, der eine Aus- und Einfahrkammer darin begrenzt, einer in dem Zylinder drehbar gelagerte Schraubspindel, die mit dem Kolben derartig Verbunden ist, daß sie sich aufgrund einer Verschiebung dreht und einer Betätigungsvorrichtung des Regelorgans, die von dem Zylinder getragen wird, wobei die Betätigungsvorrichtung des Regelorgans, g e kenn ζ ei c h η e t ist, durch ein verschieb- und drehbar gelagertes zylindrisches Element (54), das eine spiralförmige Einfräsung (56) auf seiner Oberfläche

-besitzt, wobei Signaleingangsvorrichtungen (50) vorhanden sind, die eine Verschiebung der Einfräsung (56) in Bezug auf den Zylinder (54) bewirken, ferner Rückkopplungsvorrichtungen zur Erzielung einer umgekehrten Verschiebung der Einfräsung in Bezug auf den Zylinder (54), wobei die Rückkopplungsvorrichtungen mit der Schraubspindel (44) verbunden sind und ein Regelorgan (38) zur selektiven Umlenkung eines unter Druck stehenden Strömungsmittels in eine der Aus- (32) oder Einfahrkammern (34} wobei die andere der Kammern gelüftet wird und wobei das Regelorgan (38) einen Betätigungshebel (58) besitzt, der in der Einfräsung (56) läuft. λ
2. Betätigungsvorrichtung mit einem Regelorgan gemäß An-Spruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß eine Signaleingangswelle (50) in dem Zylinder (26) und koaxial zum zylindrischen Element (54.) drehbar gelagert und drehbar damit verbunden ist, daß eine Verlängerung der Sehraubspindel (48) mit einem Gewinde versehen ist, und daß auf dem zylindrischen Element (54) ein Gewinde (70) vorhanden ist, derart, daß,diese ineinandergreifen, und daß die Rückkopplungsvorrichtung diese mit dem Gewinde versehene Verlängerung besitzt.

00 9831/1152

BAD ORIGINAL

2Ü02718
3. Betätigungsvorrichtung mit einem Rege"-irgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalvorrichtung aus einer Eingangswelle (124) besteht, die in dem Zylinder mit ihrer Achse normal zur Achse des Zylinders gelagert ist, daß ein Schneckenrad (126) mit der Signaleingangswelle (124) verbunden ist, eine Schnecke koaxial mit dem zylindri schen Element verbunden ist und mit dem Schneckenrad (126) in Eingriff steht, und daß die Rückkopplung Vorrichtungen besitzt, die mit der Schraubspindel zur Drehung der Schnecke verbunden sind.
4. Betätigungsvorrichtung mit 'Regelorgan fremäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daßdie Vorrichtung zur Drehung der Schnecke einen hohlförmi^en zylindrischen Kragen besitzt, der mit der Schraubspindel befestigt ist, daß ein zylindrisches Teil auf der Schnecke angeordnet und in dem hohli-j.; .· >.?en Kragen gleitend gelagert ist, und daß Verriege',. g& vorrichtungen vorhanden sind, um eine relative Drehung zwischen dem Kragen zu verhindern, während eine relative Verschiebung dazwischen erlaubt ist.

BAD OR»G»NAL 009831/1152