DE2157427A1

DE2157427A1 - Steuersystem für hydrokinetische Einrichtungen wie Dynamometer, Bremsen oder Drehmomentswandler

Info

Publication number: DE2157427A1
Application number: DE19712157427
Authority: DE
Inventors: Norman; Lewis Donald Bernard; McLaren Robert John Lawson; Worcester Worcestershire McLean (Großbritannien)
Original assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Current assignee: REDMAN HEENAN FROUDE Ltd
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1972-05-31
Also published as: AU457881B2; US3785216A; IT940744B; ES397427A1; FR2116126A5; GB1375828A; AU3593471A

Description

DBr/By München-Pullach, den 18.November 1971

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REDMAN HEENAN FROUDE LIMITED, Shrub Hill Road, Worcester WR4 9EQ, England.

Steuersystem für hydrokinetische Einrichtungen, wie Dynamometer, Bremsen oder Drehmomentswandler.

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für hydrokinetische Einrichtungen wie Dynamometer, Bremsen oder Drehmomentswandler, die im folgenden allgemein mit Dynamometer bezeichnet werden.

Wenn ein Dynamometer Verwendung findet, um eine Maschine oder jegliche Art von Primärantriebswerk zu untersuchen, sollte vorzugsweise ein System greifbar sein, mittels dessen das Dynamometer in einer gewünschten Weise genau gesteuert werden kann, um somit in zufriedenstellendem Maße die Maschine den erforderlichen Arbeitszuständen zu unterwerfen. Somit muss die Versuchseinrichtung für eine Maschine eine genaue und konsistente Art und Weise einschliessen, um die Zustände zu reproduzieren, denen die Maschine im Betrieb ausgesetzt wird. Eine hydrokinetisches Dynamometer, wie beispielsweise das Froude-Dynamometer, liefert

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eine vergleichsweise billige Maschine für diesen Zweck und weist weiterhin den Vorteil der niedrigenitossenträgheit der beweglichen Teile auf. Dies macht derartige Vorrichtungen insbesondere für die Untersuchung von Maschinen geeignet, vorausgesetzt, dass sie ein schnell ansprechendes Steuersystem aufweisen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein derartiges Steuersystem zu schaffen.

ψ Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Steuersystem für eine hydrokinetische Einrichtung wie ein Dynamometer, eine Bremse oder einen Drehmomentswandler, welches Einrichtungen zum Messen eines gewählten Arbeitsparameters der hydrokinetischen Vorrichtung aufweist, um ein erstes, diesen Parameter repräsentierendes elektrisches Signal zu gewinnen, weiterhin Einrichtungen, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, welches den Sollwert dieses Parameters repräsentiert und Einrichtungen zum Ableiten eines elektrischen Differenzsignalee, welches von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal abhängt, aufweist, wobei das Differenzsignal an eine elektrische Steuereinheit angelegt wird, im wesentlichen da-. durch gelöst, dass der Ausgang von der Steuereinheit dazu dient, * die Position eines Ventilelementes zu steuern, welches in einem Ventilkanal angeordnet ist, der im Betrieb der Einlass- oder der Auslasseite der hydrokinetisehen Einrichtung zugeordnet ist, und dass zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkanal ein Hals definiert ist, welcher derart geformt ist, dass er eine variable Drossel für durch den Kanal fliessendes Medium bildet, so dass im Betrieb eine Verschiebung des Ventilelementes direkt proportional dem durch die Vorrichtung entwickelten Drehmoment ist.

Bei einer abgewandelten Form dieses Systemes wird das Differenz·

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signal zwei Steuereinheiten zugeleitet, deren Ausgänge dazu dienen, die Lage eines entsprechenden von zwei Ventilelementen, zu steuern, die je in einem dazugehörigen Ventilkanal angeordnet sind, welcher im Betrieb der Einlass- bzw. Auslasseite der Vorrichtung zugeordnet ist, wobei ein Hals zwischen jedem Element und dem dazugehörigen Kanal definiert ist, der derart geformt ist, dass er für durch den betreffenden Kanal fliessendes Medium eine veränderliche Drossel bildet, welche derart ist, dass im Betrieb die Verschiebung der Ventilelemente dem durch die Vorrichtung entwickelten Drehmoment direkt proportional ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das oder jedes der Veritilelemente in der Form eines mindestens teilweise druckausgeglichenen Drehteiles ausgebildet, wie beispielsweise eine Kugel, eine Platte oder ein schmetterlingförmiger Teil. Die angestrebte Linearbeziehung zwischen dem Drehmoment des Dynamometers und der Winkelbewegung des Ventilelementes kann dadurch erreicht werden, dass ein quadratisches, rechteckiges, kreisförmiges oder elliptisches Ventilelement verwendet wird, und der Ventilkanal zweckdienlich geformt wird oder dadurch, dass das oder jedes der Ventilelemente zweckdienlich geformt wird und in Verbindung mit einem profilierten Ventilkanal verwendet wird, der einen quadratischen, rechteckigen, kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist. In beiden dieser Formen des Ventiles ist dieses vergleichsweise billig herzustellen und da es teilweise druckausgeglichen ist, bedingt es keine grosse Bedi enungskraft.

Die Steuereinheit kann jede Form von Elektromotor aufweisen, dessen Geschwindigkeit durch ein Differenzsignal gesteuert wird, \iobei die Ausgangswelle desselben auf mechanische Weise mit dem oder jedem der Ventilelemente gekoppelt ist. Es gibt noch die folgenden weiteren Alternativen:

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a) Ein durch das Differenzsignal betätigtes elektrisches Servoventil und die Zufuhr von unter Druck stehendem Hydraulikmedium zu einem hydraulischen Betätigungsorgan, welches mit dem Schmetterlingsventil mechanisch gekoppelt ist,-

b) Ein elektrisches, durch das Differenzsignal betätigtes Servoventil und die Zufuhr von Druckluft zu einem pneumatischen Betätigungsorgan, welches mechanisch mit dem Schmetterlingsventil gekoppelt ist.

P Zur Vergrösserung der Flexibilität der Steuerung bestehen die Mittel zum Ableiten des elektrischen Differenzsignales zweckdienlicherweise aus einem variablen Vorverstärker.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen' beispielhaft veranschaulichter. Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in einer skizzenhaften Ansicht ein Schmetterlings- oder Drosselklappenventil, wobei das Ventilgehäuse eine charakteristische Beziehung zwischen dem Drehmoment des Dynamometers und der Ventilöffnung gewährleistet;

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Ventiles mit der gleichen Charakteristik;

Fig. 3 eine Skizze nach der Ansicht eines erfindungsgemässen Steuersystemes; und

Fig. 4 die Dynamometercharakteristiken bei Verwendung eines Steuersystemes von der in Fig. 3 veranschaulichten Art.

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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Drosselklappenventil, welches zum Anschluss an ein Dynamometer (nicht dargestellt) geeignet ist und ein Ventilelement V aufweist, welches drehbar auf einer Welle S angeordnet und in einen Körper B eingepasst ist, welcher derart geformt ist, dass er in Verbindung mit dem Ventilelement V eine variable Drossel für durch das Dynamometer fliessendes Medium bildet, wobei die Winkelbewegung des Ventilelementes eine Linearbeziehung zu dem Drehmoment des Dynamometers aufweist. Diese Linearisierungseigenschaft vereinfacht in grossem Masse die elektrische Steuereinheit. Der Pfeil A zeigt die Drehrichtung des Ventilelementes an. Der Medienstrom kann in beiden möglichen Richtungen stattfinden.

In Fig. 2 ist eine andere Art von Drosselklappenventil veranschaulicht, bei dem das Ventilelement V zusammen mit dem Körper B derart geformt ist, um eine ähnliche Charakteristik der Beziehung zwischen Dynamometerdrehmoment und Ventilwinkel zu erzeugen.

In Fig. 3 ist skizzenhaft ein hydrokinetisches Dynamometer 1 mit einem Einlass 2 und einem Auslass 3 veranschaulicht. Der Einlass 2 kann mit einem Ventil der oben erwähnten Kennlinie ausgestattet sein, welches von jeder der beiden zuvor beschriebenen Arten sein kann und ein Ventil 4 auf einer Welle 5 befestigt aufweisen kann oder jede andere Art von druckausgeglichenem Ventil mit einem drehenden Ventilelement wie beispielsweise eine Kugel, Platte oder Scheibe. Die Welle 5 kann durch den Ausgang von dem Betätigungsorgan 8 angetrieben sein.

Eine Messeinrichtung 9 erfasst den Istwert eines tatsächlich vorhandenen Arbeitsparameters des Dynamometers (Drehmoment, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) und erzeugt ein erstes elektrisches Signal in der Leitung 10, Allgemein mit 11 bezeich-

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net ist eine Einrichtlang, die ein zweites elektrisches Signal erzeugt, welches den Sollwert des Arbeitsparameters repräsentiert. Dieses wird zusammen mit dem Signal aus der Leitung 10 in einen variablen Vorverstärker 12 gespeist, welcher ein Differenzsignal in der Leitung 13 erzeugt. Die Vorrichtung 11 ist als Anzapfpunkt von einem Potentiometer veranschaulicht, welches zweckdienlich ist, falls der angestrebte Parameterwert oder Sollwert konstant sein soll. Falls andererseits dieser Wert irgendeinem Programm folgen soll, erzeugt die Einrichtung 11 ein P Signal, welches sich in der gewünschten Weise ändert.

Das Signal an der Leitung 13 liefert einen Eingang zu einem Positionssteuerungsservosystem, welches innerhalb des mit 14 bezeichneten Blockes ausgestrichenen Linien enthalten ist und welches das Betätigungsorgan oder Aktuator 8 und einen Steuerverstärker 15 enthält. Das Betätigungsorgan θ treibt wie auch die Welle 5 ein Potentiometer 17 an, um ein Positions-Feedback-Signal in der leitung 18 zu erzeugen. Ein Beschleunigungs-Feedback an der Leitung 19 wird von einer Einheit 20 abgeleitet, welche die Beschleunigung der Welle 5 in Jeder zweckdienlichen Weise messen kann. Der Ausgang des Steuerverstärkers 15 wird durch eine Ausgangsstufe 16 zu der Leitung 21 geleitet, welche das Betätigungsorgan 8 speist. Das Betätigungsorgan 8 kann aus einem elektrischen Motor und einem Untersetzungsgetriebe, einem Linearmotor oder einem Motor mit gedruckter Schaltung bestehen, welcher mechanisch mit der Welle 5 gekoppelt ist oder aus einem elektrischen Servoventil, welches unter Druck stehendes Hydraulikmedium einem hydraulischen Betätigungsorgan zuteilt, das mechanisch mit der Welle 5 gekoppelt ist oder aus einem elektrischen Servoventil, welches Druckluft einem pneumatischen Betätigungsorgan zuteilt, das mechanisch mit der Welle 5 gekoppelt ist.

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Der Auslass 3 kann gleichfalls mit einem die beschriebene Charakteristik aufweisenden Drosselklappenventil jeder der beiden zuvor beschriebenen Arten mit einem Ventilelement 6 auf einer Welle 7 angeordnet oder Jeglicher anderen Art von druckausgeglichenen Ventilen ausgestattet sein, die ein drehendes Element wie beispielsweise eine Kugel, Platte oder Scheibe aufweisen. Die Welle 7 kann durch ein anderes Betätigungsorgan angetrieben sein, welches durch das Differenzsignal auf der Leitung 13 In der gleichen Weise wie das Beiätigungsorgan 8 betrieben wird.

Das Dynamometer kann unter Verwendung jeder der beiden Ein- gangs- oder AusgangsSteuereinrichtungen oder in Kombination beider Steuereinrichtungen gesteuert werden.

Im folgenden wird lediglich die Arbeitsweise zur Geschwindigkeitssteuerung unter Verwendung der Eingangssteuereinrichtung beschrieben* In diesem Falle besteht die Vorrichtung 9 aus einem Tachogenerator oder einem Frequenzaufnehmer mit einem Impulskonverter oder einer anderen Art ähnlicher Einrichtungen zur Erzeugung einer positiven Spannung auf der Leitung 10, welche die tatsächlich vorhandene Winkelgeschwindigkeit des Dynamometers repräsentiert. Die Potentiometer 11 und 17 weisen in gleichem Sinne an sie angelegte Spannungen auf, wobei die Nullspannung an dem Potentiometer 17 den Zustand repräsentiert, an dem das Drosselklappenventilelement 4 in der geschlossenen Lage befindlich ist.

Eine an der Ausgangsleitung 13 des Verstärkers 12 erscheinende positive Spannung zeigt die Neigung, das Ventil zu öffnen, so dass die negative Spannung, die dann an der Leitung 18 auftritt, die Neigung zeigt, diese Spannung auszugleichen. Eine negative Spannung, die an dem Ausgang des Verstärkers 12 erscheint, hat keine Wirkung, da sie die Neigung zeigt, das Ventil zu schliessen, welches bereits in der geschlossenen Lage befindlich ist,

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wenn das Signal null ist. Falls die Geschwindigkeitssteuerung bei einer Winkelgeschwindigkeit stattfinden soll, die durch eine Spannung von beispielsweise + 5 Volt an der Leitung 10 repräsentiert ist, wird der Arm des Potentiometers 11 auf - 5 Volt eingestellt. Beim Stillstand ist dann der Ausgang des Verstärkers 12 negativ und somit wird sich das Drosselklappenelement 4 in der geschlossenen Lage befinden und an der Leitung 18 kein Signal vorhanden sein. Weiterhin solange das Dynamometer bei einer Winkelgeschwindigkeit unter der wie sie durch die + 5 Volt an der Leitung 10 repräsentiert v/ird betrieben wird, w bleibt der Ausgang vom Verstärker 12 negativ und das Ventilelement 4 verbleibt in der geschlossenen Lage.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit des Dynamometers die gewählte Geschwindigkeit erreicht und überschreitet, wird der Ausgang des Verstärkers 12 positiv, wodurch das Drosselklappenventilelement in Richtung der geöffneten Lage angetrieben wird, um die Last des Dynamometers zu vergrössern, bis das Differenzsignal von dem Verstärker 12 durch die Spannung an der Leitung 18 ausgeglichen ist, die durch die Positionssteuerung 17 erzeugt wird. Es ist offensichtlich, dass wenn die Winkelgeschwindigkeit geringfügig absinkt, jedoch weiterhin oberhalb des gewählten Werfe tes verbleibt, der Eingang zum Verstärker 15 negativ sein wird, wodurch das Ventil 5 etwas geschlossen wird, bis ein Spannungsausgleich wiederum erreicht ist.

Es ist gleichfalls offensichtlich, dass die Steuer-Charakteristik von der Beziehung zwischen der Grosse der Spannung, die an dem Ausgang des Verstärkers 12 auftritt, und der Änderung der Spannung 18 für jede gegebene Einstellung des Ventiles 5 abhängt. Aus Fig. 4, in der das Drehmoment über der Geschwindigkeit für eine Steuerung bei einer Winkelgeschwindigkeit N aufgetragen ist, ist ersichtlich, dass jegliche Anzahl von Kurven mö.glich ist, von denen A, B, C, D und E typische Beispiele sind,

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die erreicht werden können. Falls der Verstärker 12 eine relativ geringe Vorverstärkung aufweist, bewirkt eine gegebene Vergrösserung der Winkelgeschwindigkeit lediglich eine geringfügige Vergrösserung der positiven Spannung, die durch die Spannung an der Leitung 18 ausgeglichen werden muss, wodurch eine Steuerung wie beispielsweise Kurve A erreicht wird. Falls andererseits der Verstärker 12 eine hohe Vorverstärkung aufweist, bewirkt eine geringe Vergrösserung der Geschwindigkeit ein grösseres Signal, das ausgeglichen werden muss, und es wird letztlich eine Charakteristik wie sie die Kurve E zeigt erreichbar sein. Um die Flexibilität der Steuerung zu erreichen, kann der Verstärker 12 als variabler Vorverstärker ausgebildet sein, wie dies in Fig. 3 durch den Nebenschlusswiderstand 22 angedeutet ist.

Zur Drehmomentsteuerung wird folgendermassen vorgegangen! Falls die von der Vorrichtung 9 abgeleitete Geschwindigkeit durch ein elektrisches Signal ersetzt wird, das dem Drehmoment proportional ist, welches von einem Wandler in dem Lastanzeigesystem des Dynamometers abgeleitet werden kann, zeigt das Dynamometer ei'ne Drehmomentsteuerungscharakteristik, wobei die Steuerfolge gleich derjenigen ist, wie sie in Verbindung mit der Geschwindigkeitskontrolle beschrieben wurde.

Gleichfalls ist eine Programm- und Folgesteuerung möglich. Bei moderneren Maschinenversuchsanlagen ist es wünschenswert, die Geschwindigkeit und das Drehmoment zu steuern und es muss möglich sein, die gewünschten Werte bzw. die Sollwerte in jede zuvor festgelegte Weise zu variieren. Es ist offensichtlich, dass das erfindungsgemässe System leicht angepasst werden kann, um jegliche angestrebte Beziehung von Drehmomentgeschwindigkeit und Beschleunigung zur Zeit zu erzeugen. Weiterhin kann die zufriedenstellende Arbeitsweise des erfindungsgemässen Systemes bei Verwendung bei der Folge- oder Programmsteuerung unabhängig

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von der Drosselsteuerung der Primärantriebsmaschine erfolgen, d.h. sie hängt nicht von der speziellen Weise der Betätigung der Drosselsteuerung des Primärmotors ab.

Sämtliche der in der Beschreibung erläuterten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

Patentansprüche

1. Steuersystem für eine hydrokinetisch^ Einrichtung wie ein Dynamometer, Bremse oder Drehmomentswandler, mit Einrichtungen zum Messen eines gewählten Arbeitsparamiers der hydrokinetischen Einrichtung zur Erzeugung eines ersten diesen Parameter repräsentierenden elektrischen Signales, Einrichtungen zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signales, das den Sollwert des Parameters repräsentiert, und Einrichtungen zur Ableitung eines elektrischen Differenzsignales, welches von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal abhängt, wobei die Differenz an eine elektrische Steuereinheit angelegt wird, dadurch gekennzeichnet , dass der Ausgang von der Steuereinheit (8) dazu dient, die Position eines Ventilelementes (V,4, 6) zu steuern, welches in einem Ventilkanal angeordnet ist, der im Betrieb der Einlass- oder Auslasseite der Vorrichtung zugeordnet ist, dass ein Hals zwischen dem Ventilelement und dem Kanal derart geformt ist, dass er eine variable Drossel für durch den Kanal fliessendes Medium bildet, so dass im Betrieb die Verschiebung des Ventilelementes dem durch die Vorrichtung entwikkelten Drehmoment direkt proportional ist.

2. Abänderung des Systemes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal zwei Steuereinheiten (8) zugeleitet wird, deren Ausgänge zur Steuerung der Lage eines entsprechenden, von zwei Ventilelementen (4, 6) dient, die Je in einem entsprechenden Ventilkanal angeordnet sind, der im Betrieb der Einlass- bzw. Auslasseite der Vorrichtung zugeordnet ist, wo-

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bei ein Hals zwischen jedem Ventilelement und dem dazugehörigen Kanal definiert und derart geformt ist, dass er eine variable Drossel für durch den Kanal fliessendes Medium bildet, so dass im Betrieb die Verschiebung der Ventilelemente dem durch die Vorrichtung entwickelten Drehmoment direkt proportional ist.

5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder Jedes der Ventilelemente in der Form eines mindestens teilweise druckausgeglichenen drehenden Bauteiles wie beispielsweise eine Kugel, Platte, Scheibe oder Drosselklappenteil ^ ausgebildet ist." .

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Elektromotor aufweist, dessen Ausgangswelle mechanisch mit dem oder jedem der Ventilelemente gekoppelt ist.

5· System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein elektrohydraulisches Servoventil zur Zufuhr von unter Druck stehendem Hydraulikmedium zu einem hydraulischen Betätigungsorgan aufweist, welches mechanisch mit dem oder jedem der Ventile-lemente gekoppelt ist.

* 6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein elektropneumatisches Servoventil zur Zufuhr von Druckluft zu einem pneumatischen Betätigungsorgan aufweist, welches mechanisch mit dem oder jedem der Ventilelemente gekoppelt ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Ableiten des elektrischen Differenzsignales durch einen variablen Vorverstärker (12) gebildet sind.

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