DE2059513C3

DE2059513C3 - Bistabiler Fluid-Verstärker

Info

Publication number: DE2059513C3
Application number: DE19702059513
Authority: DE
Inventors: Per Olov Vaestra Froelunda Abrahamsson; Tage Lennart Ljungby Wetterstat; Karl-Axel Trollhaettan Zetterstroem
Original assignee: Volvo Flygmotor AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 1969-12-04
Filing date: 1970-12-03
Publication date: 1978-11-30
Also published as: FR2070736B1; DE2059513A1; DE2059513B2; FR2070736A1; GB1329452A

Description

Ausgangskanale, getrennt durch einen Fluidteiler, ausgehen, wobei in dieser Wechselwirkungskammer ein dreieckiges Klappenteil stromabwärts der Steuerdüse angelenkt ist, das in Abhängigkeit von mindestens der einen Steuerdüse abwechselnd den einen Ausgangskanal öffnen und gleichzeitig den anderen schließen kann und umgekehrt.

Bekannte Fluid-Verstärker sind proportional oder einfach gerichtete, zweifach-, dreifachgerichtete Fluid-Verstärker, bei denen es sich herausgestellt hat, daß sie sehr !astempfindlich sind. Der gesteuerte Arbeitsmediumstrahl kann nicht in der Form beeinflußt werden, daß irgendwelche wesentlichen Leistungen übertragbar sind, da dann stets Störungen während des Betriebes auftreten. Sobald der Strahl in dem aktiven Ausgang gegen einen wesentlich größeren Druck als in dem passiven Ausgang anströmt, erfolgt ein stufenweises oder plötzliches Umschalten zu dem passiven Ausgang. Aus diesem Grunde ist ein herkömmlicher Fluid-Verstärker ohne bewegliches Teil nicht imstande, irgendwelche größeren Kräfte zu übertragen und kann nicht als Leistungsstufe in einem Fluid-Verstärkersystem eingesetzt werden.

Zur Vermeidung dieses wesentlichen Nachteils bekannter Verstärker wurden Versuche unternommen, Venlilteile, wie beispielsweise Klappen, in Fluid-Verstärkern anzuordnen, wie dies beispielsweise aus der US-Patentsc!:rift 30 53 276 bekannt ist. Die Anordnung gemäß dieser Patentschrift bringt eine gewisse Verbesserung des Fluid-Verstärkers mit sich und vermindert teilweise den Nachteil der Instabilität, weist jedoch gleichzeitig eine Anzahl von Nachteilen auf. Bei der Bauart gemäß der US-Patentschrift wirkt der Steuermedium-Strahl direkt auf die Ventilklappe ein, welche an den Ausgängen des Fluid-Vcrstärkcrs angeordnet ist, so daß ein nicht unerheblicher Steuermedium-Druck für eine Umschaltung aufgewendet werden muß. Des weiteren hat es sich gezeigt, daß bei der erwähnten Bauform eine größere Last nicht aufgebracht werden kann, da die Klappe um so stärker gegen die benachbarte Wand angepreßt wird, je größer der Druck des aktiven Ausgangs ist, was zuletzt dazu führt, daß die Klappe überhaupt nicht mehr bewegt werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und einen Fluid-Verstärker der erwähnten Art zu schaffen, mit welchem Leistungen entsprechender Größe erzielt werden können, ohne daß irgendwelche schädlichen Effekte auftreten, welche die Einsatzbereitschaft und den Umschaltgang des Verstärkers beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Klappenteil stromabwärts, vom Steuerfluid unbeaufschlagt, auf einer Drehachse stromaufwärts des Schwerpunkts oder im Schwerpunkt des Klappenteils gelagert ist und die untere Basis des Klappenteils so geformt ist, daß sie einen der Ausgangskanale verschließen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fluid-Verstärkers sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kanten des Klappenteils in Form von Gummirippen federnd ausgebildet.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielc näher beschrieben. Es zeigt

F i g. la im Schnitt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels,

Fig. Ib eine Seitenansicht im Längsschnitt des

Ausfuhrungsbeispiels gemäß Fig. la,

F i g. 2,3a — 3c und 4a — 4c verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 im Schnitt eine Draulsicht einer weiteren Ausführungsform,

F i g. 6 einen Längsschnitt der Ausführungsform gemäß F i g. 5,

Fig. 7 eine Endansicht in Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 5,

F i g. 8 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht und

F i g. 9 ein Flußdiagramm des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 5.

Fig. la und Ib zeigen einen üblichen zweifachgerichteten Fluid-Verstärker, der einen Einströmkanal / und zwei Ausströmkanäle aufweist, von denen der eine als aktiver Kanal mit a und der andere als passiver Kanal mit ρ bezeichnet ist. Der Mediumstrahl von dem Einlaß / tritt durch den Auslaß a gemäß der Darstellung in Fig. la wieder aus. Des weiteren sind zwei Eingänge (s\ und S2) für das Steuerniedium vorgesehen, von denen ein Steuerimpuls direkt auf den Arbeitsmedium-Strahl im Fluid-Verstärker gerichtet werden kann, um denselben von einem Ausgang auf den anderen Ausgang umzuschalten, wobei diese dann ihre Funktionen und ihre Bezeichnungen a und £ vertauschen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Verzweigung<-punkt zwischen den beiden Strömungsaustritten des Arbeitsmediums ein Klappenleil 1 angeordnet, welches in der Draufsicht eine dreiwinklige Gestalt aufweist und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form eini-.s Kreissektors besitzt (vgl. F i g. 1 a). Das Klappenieil 1 ist drehbar an einem Zapfen 2 angelenkl, welcher nächst der Spitze des Kreisausschnittes oder nächst dem Zentrum der kreisförmigen Bogenfläche angeordnet ist. Die kreisförmige Bogenfläche des Klappenteils 1 liegt stromabwärts von dem Zapfen 2 und weist das kleinstmögliche Spiel zu einer Basis- oder Endfläche 3 einer Trennungswand an der VerzweigungssteMe zwischen den beiden Strömungsausgängen auf. Der Umriß der Endfläche 3 entspricht möglichst weitgehend der kreisförmig gewölbten Bogenfläche des Klappenteils 1, welches frei drehbar an dem Zapfen 2 angelenkt ist.

In der in Fig. la gezeigten Stellung gibt das Klappenteil 1 den Durchfluß für den Arbeitsmediumstrahl von dem Einlaß /zu dem aktiven Ausgang a frei. Sowie ein Steuerimpuls dem Fluid-Verstärker durch den Stcucrimpulseingang S₂ zugeleitet und daher dor Strahl auf den gegenüberliegenden Ausgang umgeschaltet wird, wirkt der Hauptstrahl automatisch auf das Klappenteil t infolgedessen stromabwärts von dem Zapfen 2 vorgesehenen Stellung. Experimentell wurde festgestellt, daß dieses Umschalten des Klappenteils 1 mit Hilfe des Hauptstrahles exakt untersclieidbar erfolgt, wobei der bisherige passive Strahlausgang aktiv und der ursprünglich aktive Ausgang passiv wird. Im passiven Ausgang stellt sich ein niedriger Druck ein, während in den übrigen Teilen des Fluid-Verstärkers ein wesentlich höherer Druck erhalten bleibt. Da das Klappenteil 1 aus einer zylindrischen Basis- oder Seitenfläche auf seiner stromabwärts gelegenen Seite besieht, kann der Druck des passiven Ausganges [3 gi.j.'on das Klappenteil 1 nicht in einer oder der anderen Richtung wirken. Das Klappenieil 1 wird in seiner Stellung gegen die Wand durch den Differentialdruck gehalten, der dadurch auftritt, daß die Übergangsstelle bei dem Klappenteil 1 in den aktiven Ausgang aufgrund der Gestalt und Stellung des Klappenteils 1 als Diffusor arbeitet

Die weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens

ermöglicht es, eine Anzahl von weiteren Ausführungs-

s formen zu entwickeln, welche große und überraschende Vortei'e bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen ergeben.

Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, welches insbesondere für den Einsatz in hydraulischen Vorrichtungen geeignet ist, welche Flüssigkeiten sowohl als Arbeitsmedium als auch als Steuermedium verwenden. In diesem Fall besitzt das Klappenteil gleichfalls eine dreiseitige Gestalt, wobei jedoch die Basislinie im Gegensatz zu der des 'S voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels umgekehrt zylindrisch gekrümmt, d. h. in bezug auf den Anlenkungszapfen 2 konkav ausgebildet ist. Des weiteren ist der Zapfen 2 nicht nächst der Spitze des Klappenteils 1 angeordnet, sondern in Nähe oder im Schwerpunkt des Klappenteils 1. Die Ausbildung des Klappenteils 1 in bezug auf seinen Umriß und insbesondere auf seine Basislinie eröffnet die Möglichkeit, eine Rückkopplungsleitung ran der Endfläche der Trennungswand zwischen der Verzweigungsstelle der Strömungsausgänge anzuordnen.

Die Rückkopplung oder Rückleitung r ergibt einen zusätzlichen Vorteil, wenn die Erfindung für Flüssigkeiten eingesetzt wird. Da Flüssigkeilen im wesentlichen inkompressibel sind, kann die den aktiven Strömungs-

M ausgang verlassende Strömung in vorteilhafter Weise in entgegengesetzter Richtung durch den passiven Strömungsausgang zurückgeleitet werden, um anschließend durch die konkave Basisfläche des Klappenteils I in die Rückströmungsleiuing r gelenkt zu werden. Bei der Gestaltung des Klappenteils 1 muß insbesondere auf die Druckverteilung oberhalb der konkaven Basisfläche des Klappenteils I geachtet werden.

Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens gemäß des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 zeigt die Ausführungsform entsprechend den Fig. 3a bis 3c. Diese Ausführungsform kann verschiedene, unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Der wesentliche Vorteil ist der, daß zwei Klappenieile la und 16 vorgesehen sind, welche nebeneinander in derselben Art und Weise wie das einzelne Klappenteil 1 der vorangehenden Ausführungsform angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt ständig ein Strahl eines Steuermediums, der in beiden Steuermediums-Eingängen 51 und S₂ gleich groß gehalten wird (vgl. F i g. 3a), wobei der Mediumsstrahl von der Einlaßstrecke durch den Fluid-Verstärker zwischen den beiden Klappenteilen la und 1 b und durch die Rückkehrleitung austritt, welche in dem vorliegenden Beispiel als Ausgang ausgebildet und mit u bezeichnet ist. Wenn die beiden Ausgänge jeweils an einer der Seiten eines Kolbens in einem Zylinder — wie in den Zeichnungen dargestellt — münden, sind der Kolben in dieser Position des Fluid-Verstärkers und d^;e Klappenteile unbelastet. Durch eine Änderung der Größe der aus den Steuereingängen S\ und S₂

&0 austretenden Steuermedium-Strahlen in der Art, daß S] größer als s₂ wird, wie in Fig.3b gezeigt, kann eine proportionale Steuerung erreicht werden, bei der sich der Kolben 5 langsam infolge der Tatsache bewegt, daß ein Teilstrom durch den einen Strömungsausgang

^h"' austritt, während die restliche Strömung .tischen den Klappcnteilcn la und \b direkt dem Ausgang u zugeleitet wird. Das an der einen Seite des Kolbens 5 austretende Medium kehrt durch den η.ι«ίνρπ Ancuanu

zurück und strömt an dem entsprechenden Klappenieil J vorbei, um zu dem Ausgang υ geleitet zu werden.

Durch eine Änderung der Größe oder des Verhältnisses zwischen den Strahlen des Sieuermediums insoweit, daß der Strahl im Eingang 62 vollständig abgeschaltet ist und das Steuermedium nur durch den Eingang s\ zuströmt, ergibt sich die in F i g. 3c dargestellte Arbeitsweise, bei der eine zweifach gerichtete Steuerung ähnlich der einer Memory-Schaltung erhalten wird, d. h„ daß der Kolben durch den vollen Arbeitsdruck betätigt wird.

Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene Ausführungsform modifiziert und darüber hinaus in ihrer Reihenfolge umgekehrt oder auf mannigfaltige Weise abgeändert werden kann, ohne daß eine !5 Erweiterung des Erfindungsgedankens vorgenommen wird.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Klappenteile in der Formgebung als ein Zwischenschritt der Klappenteile der voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele anzusehen. Die Klappenteile sind gleich groß, haben die Gestalt eines Kreisausschnittes und sind drehbar nächst ihrer Spitze angelenkt, wobei ihre Basisfläche konkav gewölbt oder zylindrisch ausgebildet ist.

Fig. 4a —4c zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen der Umschaltvorgang mit großer Schnelligkeit abläuft und der Energieverlust gering ist. F i g. 4a zeigt den Fluid-Verstärker, bei dem eine eingeleitete Reaktionskraft auf jeden der Strömungsausgänge ausgeübt werden kann. Sollte bei der vorliegenden Ausführungsform ein Schwingungsvorgang erforderlich sein, kann dieser durch die Eigenschwere des Klappenteils 1 oder durch eine Rückkopplung des Mediums durch eine Füllung erreicht werden.

Anhand von F i g. 4b wird die Wirkungsweise einer Kolbenkraft noch beschrieben werden. Die Ecken oder Kanten 4 in der stromabwärts gelegenen Richtung des Klappenteils 1 sind in Form von Gummiringen federnd *o ausgebildet.

F i g. 4c zeigt die Verwendung des Fluid-Verstärkers für die Erzeugung einer Rotationsbewegung oder eines Rotationsmomentes.

Eine der gemeinsamen Voraussetzungen für Fluid-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß deren Arbeitsablauf um so schneller ist, je leichter das Klappenteil t ausgebildet ist. Wenn der Drehpunkt des Klappenteils t mit dem Schwerpunkt des Klappenteils 1 zusammenfällt, ist dieses vollständig unabhängig von jeglichen Gravitationskräften. Für die Durchführung des Umschaltvorganges oder für die Einstellung des Arbeitsmedium-Strahls oder des Hauptstrahls muß dieser nicht vollständig blockiert werden, jedoch ist es erforderlich, einen minimalen Strom zurückzuleiten. Sobald der Kolben seine Endstellung erreicht hat, wird das Medium mit vollem Arbeitsdruck die gesamte Strecke von dem Kolben bis zu Quelle 7 (vgl. Fig.4c) in den Steuermediumsleitungen zurückströmen. Das Umschalten mittels eines Steuerstrahles ^Wl und das Arbeiten des Fluid-Verstärkers kann nicht erfolgen, solange nicht ein Regulierventil, ein Beipaß-Ventil oder ein ähnliches Ventil öffnet und einen geringen Mediumsstrom zuläßt. Diese Bedingung kann auch dadurch erfüllt werden, daß die Ecken oder «« stromabwärts angeordneten Kanten 4 des Klappenteils 1 in der vorhin schon erwähnten Weise federnd ausgebildet sind, so daß ein Fluß festgelegter Größe von dem aktiven zu dem passiven Strömungsausgang bei Maximaldruck durchsickert. Das Klappenteil 1 ist derart zu gestalten, daß der Sickerverlust von dem aktiven /u dem passiven Strömungsau.sgang hin gering bleibt.

Bei der Anwendung von sehr hohen Drücken kann noch immer eine geringe, nachteilige Lastempfindlichkeit bei den voranstellend beschriebenen Ausführungsformen auftreten. Zur Ausschaltung dieser Empfindlichkeit ist eine weitere Ausführungslorm gemäß den F i g. 5 bis 9 der Zeichnungen vorgesehen.

Ähnlich wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen ist an der Verzweigungsslelle zwischen den Strömungsausgängen ein Klappentdl 1 angeordnet, welches an seiner kreisförmig gewölbten Basisseite dem Zapfen 2 gegenüberliegend einen Verbindungskanal 6 aufweist, der sich im wesentlichen parallel zu der Basisseile erstreckt. An jedem Ende mündet der Kanal 6 im rechten Winkel zu der Ebene des Klappenteils 1 in einen Durchlaß oder eine Öffnung. In ähnlicher Weise sind die beiden Ausgänge a und g mit Ausgangsleitungen verbunden, welche im rechten Winkel zu der Ebene des Klappenteils 1 angeordnet ist. wobei zwischen den Ausgangslcitungen eine Rückleitung u zu der Kraftquelle des Arbeitsmediums vorgesehen ist. In bezug auf den Verbindungskiinal 6 in dem Klappenteil 1 ist ebenso wie im Fall der voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Vorbeifließen oder Durchsickern eines Mediumstronies zulässig bei der Rückkehr durch den Ausgang zu der Rückleitung. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein vollständiges Gleichgewicht der auf das Klappenteil 1 einwirkenden Kräfte erreicht, so daß dasselbe weitgehend lastunempfindlich wird. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß bei einer: schichtenförmig zusammengesetzten Aufbau des Fluid-Verstärkers, wie in F i g. 8 gezeigt, die Möglichkeit besteht, einen Verbindungskanal 6 vorzusehen, welcher gegen die beiden Seitenflächen des dreiseitigen Klappcnteiles 1 (wie in F i g. 7 angedeutet) geöffnet ist. so daß die Leitungen, die von jeder Seitenfläche des Klappcnteiles ! wegführen, miteinander verbunden werden können, um eine gemeinsame Leitung außerhalb und nur auf einer Seite des Fluid-Verstärkers zu erhalten.

Das Klappenteil ist im Vergleich zu dem in der US-Patentschrift erwähnten Teil umgedreht und weis; eine dazu konträr verlaufende Form auf, wodurch der wesentliche Vorteil erzielt wird, daß der Mediumstrahl oder Hauptstrahl das Klappenteil anstelle des Steucrmedium-Strahls bewegt.

Darüber hinaus weist die Erfindung noch eine Vielzahl von weiteren wesentlichen Vorteilen auf. von denen an erster Stelle die hohe Wirksamkeit auf Grund einer vollständigen Elimination von stufenweise oder plötzlich erforderlichen Einstellungen des Klappenteils zu erwähnen ist. Des weiteren kann die Einstellung des Klappenteils durch kleine Steuermedium-Impulse geregelt werden, was gleichbedeutend mit einem hohen Verstärkungsgrad des Fluid-Verstärkers ist. Der Fluid-Verstärker kann sehr hohe Belastungen bei geringfügigen Druckverlusten aufnehmen und die Richtung des Arbeitsmedium-Strahles sehr schnell ändern. Aus diesem Grunde ist der erfindungsgemäße Fluid-Verstärker sehr gut für die Verwendung mit einem Fluid-Verstärkersystem geeignet, im Gegensatz zu einem mechanischen Ventil. Es ist selbstverständlich, daß der vorliegende Verstärker sowohl für gasförmige Medien als auch für Flüssigkeiten verwendet werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

20 Patentansprüche:

1. Bistabiler Fluid-Verstärker mit einer Wechselwirkungskammer, in die eine Leistungstrahldüse und mindestens eine Steuerdüse einmünden und von der zwei Ausgangskanäle, getrennt durch einen Fluidteiler, ausgehen, wobei in dieser Wechseiwirkungskammer ein dreieckiges Klappenteil stromabwärts der Steuerdüse angelenkt ist, das in Abhängigkeit von mindestens der einen Steuerdüse abwechselnd den einen Ausgangskanal öffnen und gleichzeitig den anderen schließen kann und umgekehrt, d ä d u r c h gekennzeichnet, daß das Klappenteil (1; la, Xb) stromabwärts, vom Steuerfluid unbeaufschlagt, auf einer Drehachse (2) stromaufwärts des Schwerpunkts oder im Schwerpunkt des Klappenteils gelagert ist und die untere Basis (3) des Kiappenteils so geformt ist, daß sie einen (pj der Ausgangskanäle ^^verschließen kann.

2. Fluid-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Klappenteil (1) die Form eines Kreiszylinderausschnittes aufweist, wobei die Grenzfläche zwischen den beiden Ausgangskanälen der Form der Basis (3) des Klappenteils angepaßt ist.

3. Fluid-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 die Basisfläche (3) des Kiappenteils (1) konkav ausgebildet ist und an der Grenzfläche zwischen den beiden Ausgangskanälen eine Rückleitung (r, u) vorgesehen ist, wobei zwischen dem geschlossenen Ausgangskanal und der Rückleitung eine Verbindung besteht.

4. Fluid-Verstärker nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Klappenteile (la, \b) nebeneinander derart angeordnet sind, daß in bestimmten Stellungen das Arbeitsfluid in jeden der beiden Ausgangskanäle (a, p) bzw. zwischen beide Klappenteile (la, !^hindurch in die Rücklaufleitung (umfließen kann, wobei die äußere.n Unterkanten der konkaven Basisflächen (3) der Klappenteile mit je einem Ausgangskanal abdichten können, die inneren Unterkamen der Basisflächen je mit der gegenüberliegenden Dreieckskante des anderen Klappenteils abdichten können und die Innenkanten der konkaven Basisflächen mit den Kanten der Rückleitung (uj abdichten können.

5. Fluid-Verstärker nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Klappenteil (t) in der Nähe der der Drehachse (2) gegenüberliegenden kreiszylindrischen Basisfläche (3) einen etwa parallel zur Basisfläche (3) verlaufenden Verbindungskanal (6) aufweist, der an den seitlichen Enden Durchlässe aufweist, welche einer Verbindung einerseits zwischen einem der Ajsgangskanäle (a, p)und andererseits zwischen der Rückleitung (u} herstellen, wobei diese öffnungen mit entsprechenden öffnungen der Ausgangskanäle (α, ρ) sowie der Rückleitung (uj übereinstimmen.

6. Fluid-Verstärker n?ch mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (4) des Klappenteils (1) in Form von elastisch federnden Gummikanten ausgebildet sind.

Die vorliegende E-findung bezieht sich auf einen bistabilen Fluid-VersUirker mit einer Wechselwirkungskammer, in die eine Leistungsstrahldüse und mindestens eine Steuerdüse einmünden und von der zwei 513