DE2502292A1 - Membran-anordnung fuer pneumatische oder hydraulische verstaerker - Google Patents

Description

FR. SAUTER AG , Fabrik elektrischer Apparate BE 16 250

Basel (Schweiz)

PATENTANWÄLTE ..,^

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Membran-Anordnung für pneumatische oder hydraulische Verstärker

Die Erfindung betrifft eine Membran-Anordnung für pneumatische oder hydraulische Verstärker mit mindestens zwei durch Zwischenscheiben gebildeten Druckräumen und mit mindestens einer Steuermembrane.

Bei den bekannten Verstärkern, für Steuer- oder Regelzwecke, werden verschiedene pneumatische oder hydraulische Eingangsdrücke (Signale) in Kräfte umgewandelt, die je nach Anordnung der Steuermembranen in einem solchen Verstärker eine positive oder eine negative Richtung haben. Sämtliche Kräfte, die durch die Anzahl der Eingangsdrucke bestimmt sind, wirken auf eine gemeinsame Achse der Membrananordnung des Verstärkers. Diese Achse betätigt entweder ein pneumatisches oder hydraulisches Steuerelement, welches den Durchfluss eines Druckmediums in bekannter Weise steuert. Die Kraft, mit der das Steuerelement betätigt wird, ist ein Mass für die Summe sämtlicher direkt oder invertierend angeschlossenen Eingangsdrucke (Signale).

In der Figur 1 ist eine bekannte Hembran-Anordnung für einen solchen Verstärker gezeigt. Bei dieser bekannten Anordnung der einzelnen Steuermembranen 1, 2, 3 sind diese Steuermembranen eingespannt in Gehäuseteile 4> 5, 6, 7. Auf diese Weise werden Druckräume 8, 9, 10, 11 gebildet. Zu, jedem Druckraum führt eine Eingangsleitung, in welche die Eingangssignale pl, p2, p3 und ein Speisedruck eingeführt werden. Diese Drücke können durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmedium in die Druckräume eingeführt werden. Die Steuermembranen 1, 2, 3 besitzen sogenannte Membranteller 12, 13, 14 mit entsprechenden wirksamen Druckflächen Fl, F2, Ι"3· Die Membranteller 12, 13» 14 sind an einem gemeinsamen Steuerstössel 15 befestigt. Je nach Kraftrichtung der resultierenden Kraft aus den Eingangsdrücken (Signalen) bewegt sich der Stössel entweder in die eine oder die andere Richtung und gibt die Auslassöffnung 16 entweder frei oder schliesst sie. Die Anordnung der Dros-

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sei 17 im Zuführkanal für den Speisedruck bewirkt ein Absenken des Druckes im Druckraum 11 bei Oeffnen des Auslasskanals 16 durch den Steuerstössel 15· Der Steuerdruck im Druckraum 11 wird infolge der Drossel 17 bis zu seinem Maximum erhöht, wenn der Auslasskanal 16 durch den Stössel 15 geschlossen wird. Die Druckänderungen machen sich in dem rechts gezeigten Druckmessgerät 18 bemerkbar. Im folgenden wird angenommen, dass die einzelnen Signaldrücke pl, p2_t p3, p4 folgende Einzelkräfte bewirken:

Kl = pi . Fl
K2 = p2 . (P2 - Fl)
K5 = -p3 . (F2 - F3)
K4 = _p4 . F3

Die Gesamtkraft des Membransystems betätigt den Steuerstössel 15 und beträgt K ges. = K 1 + K 2 + K 3 + K 4.

Im Betrieb stellt sich der Druck p4 immer so ein, dass die Membran-Anordnung in Schwebestellung ist. Dies heisst, dass die gesamte Kraft K ges. auf das Membransystem = 0 ist.

K ges. =K1 + K2 + K3 + K4 = O

Daraus folgt = _p4

F3

Bei dem in der Figur 1 gezeigten pneumatischen Verstärker für Regelzwecke werden folgende Forderungen gestellt:

a) Für den Vergleich des Istwerts und des Sollwerts muss die Gleichtaktunterdrückung besonders gut sein. Das bedeutet, dass eine Druckänderung, welche gleichzeitig auf beide Differenzeingänge (p2 und p3) wirkt, keine Druckänderung am Ausgang p4 zur Folge haben darf.

b) Die Kulipunktempfindlichkeit muss gross sein. Nullpunkt bedeutet, wenn der Istwert gleich dem Sollwert ist (p2 = p3).

c) Sie Verstärkung muss möglichst gross sein, da die Anordnung des Verstärkers mit einer allfälligen Rückkopplungsleitung, in einer pneumatischen oder hydraulischen Schaltungsanlage, den Verstärkungsgrad schwächt.

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Diese drei wesentlichen Forderungen können durch die bekannten Verstärker der Figur 1 nicht erfüllt werden:

a) Die ideale Gleichtaktunterdrückung erfordert, dass die Wirkflachen (F2 Fl) der Steuermembranen 1 und 2 sowie die "Wiriilachen (F2 - Fj) der Steuermembranen 2 und 3 genau gleich gross sind. Dies ist jedoch in der Praxis nicht durchführbar, da die Wirkflächen der genannten Steuermembranen mit gewissen Herstellungstoleranzen behaftet sind. Bei der Bildung der Differenz zwischen den gegeneinander wirkenden Flächen ergibt sich eine verringerte Nutzfläche. Da jedoch der "Toleranzfehler" konstant bleibt, wirkt sich dieser Betrag um das Dreifache bis Fünffache höher aus bei der Nutzfläche. ·

b) Die Nullpunktempfindlichkeit kann mit den bekannten Gummi membranen 1, 2, 3 der Figur 1 nicht erzeugt werden. Bekanntlich fliesst das Gummi material einer solchen Steuermembrane aus der Einspannung der Gehäuseteile 4> 5> 6, 7 und den Membrantellern 12, 13, 14 heraus und erzeugt einen unerwünschten Durchhang der Steuermembrane. Beim Wechsel der Druckrichtung muss sich dieser Durchhang umkehren und erzeugt dabei eine Nullpunktunempfindlichkeit (Froscheffekt).

Bei nicht elastischen, dünnen Steuermembranen, welche zum Beispiel eine Stoffeinlage aufweisen, muss dieser Durchhang bereits bei ihrer Herstellung berücksichtigt werden. Wenn auch diese besondere konstruktive Massnahme eine kleinere TJmkehrkraft wie bei den Gummimembranen ergibt, erhält man dafür eine unerwünschte zeitliche Nullpunktunempfindlichkeit. Diese zeitliche Nullpunktunempfindlichkeit ergibt sich dadurch,dass die Steuermembrane erst dann in die umgekehrte Richtung sich bewegt, nachdem der Durchhang sich umgekehrt hat.

c) Mit der Konstruktion der bekannten Gummimembranen kann eine grosse Verstärkung nicht erzielt werden, da die Wirkfläche F3 der Steuermembrane 3 nicht extrem verkleinert werden kann.

Die für pneumatische und hydraulische Verstärker in Regelanlagen gewünschten positiven Eigenschaften werden durch die Erfindung erfüllt.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass:

- die Steuermembrane einen starren Membranteller und einen starren Aussenring mit solchen räumlichen Abmessungen enthält, dass der Aussenring den Membranteller mit einem Zwischenraum von bestimmter Breite umgibt;

- der starre Membranteller und der starre Aussenring allseitig mit einer gummielastischen Schicht bedeckt sind und der Zwischenraum eine gummielastisehe und spannungsfreie Verbindung von bestimmter Wandstärke aufweist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung enthalten der Aussenring der Steuermembran und die den Druckraum bildenden Zwischenscheiben Ausnehmungen, welche als Kanäle für ein Druckmedium vorgesehen sind und welche Ausnehmungen auch für die Aufnahme von Befestigungsmitteln vorgesehen sind.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung enthält jede Zwischenscheibe radial angeordnete Nuten zur Herstellung einer Verbindung mittels einem Kanal und dem durch die genannten Zwischenscheiben gebildeten Druckraum.

Bei einer vorteilhaften Anordnung von mindestens zwei Steuermembranen sind die zwischen den Steuermembranen liegenden Druckräume durch eine kleinflächige Dichtmembrane abgedichtet zum reibungslosen Uebertragen der Steuerbewegung des Steuerstössels, wobei das Verhältnis der wirksamen Flächen der Steuermembranen und der Dichtmembrane mindestens 1:30 beträgt.

Eine in der Mitte der Zwischenscheibe angeordnete Bohrung weist ein konisches Halteprofil für die formschlüssige Aufnahme der Dichtmembrane auf, wobei das Halteprofil von äusseren Schenkeln eines U-förmigen Teils der Dichtmembrane mit Vorspannung umfasst wird.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 2 eine erfindungsgemasse Membran-Anordnung für einen Verstärker,

Figur 3 einen Querschnitt der Steuermembrane, Figur 4 eine Draufsicht auf die Steuermembrane der Figur 3, Figur 5 einen Querschnitt einer Zwischenscheibe, gemäss Schrittlinie A-B der Figur 6,

Figur 6 eine Draufsicht auf die Zwischenscheibe der Figur 5, Figur 7 einen Querschnitt einer Dichtmembrane.

Gemäss Figur 2 besteht der Verstärker aus den Zwischenscheiben 20, 21, welche die fünf Druckräume 22, 23, 24, 25, 26 bilden. Selbstverständlich können noch mehr oder weniger Druckräume gebildet werden durch Einsatz von mehr oder weniger Zwischenscheiben 20, 21. Der Verstärker wird auf der einen Seite durch die obere Deckplatte 27 und auf der anderen Seite durch die Anschlussplatte 28 abgeschlossen. Die Steuermembranen 29 sind zwischen den Zwischenscheiben 20, 21 und der Deckplatte eingespannt. Die Steuermembrane 29 wird später im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 näher beschrieben. Die Befestigungsschrauben 30 sind auf dem Umfang der Membran-Anordnung gleichmässig verteilt und sorgen dafür, dass die Deckplatte, die Zwischenscheiben und die Anschlussplatte einschliesslich der Steuermembranen zu einer kompakten Einheit dicht zusammengehalten werden. Der Speisedruck wird über den Stutzen 31, welcher in der Anschlussplatte 28 eingegossen ist, der unteren Druckkammer 26 zugeführt. In diesem Stutzen befindet sich die Drossel 32, welche dazu dient, dass der Druck im Druckraum 26 durch Oeffnen oder Schliessen der Auslassöffnung 33, welche eben-

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falls in der Anschlussplatte 28 angeordnet ist, durch Betätigung des Steuerstössels 54 sich verändern kann. Der Steuerstössel 54 ist über die Distanzstücke 55 mit den Steuemembranen 29 starr ^verbunden. Die Zwischenscheiben 20, 21, die Deckplatte 27 sowie die Steuermembranen 29 weisen Ausnehmungen 36, 37, 45 auf, die wie später im Zusammenhang mit den Figuren 5 und 6 näher beschrieben, auf den Umfang verteilt sind und bei richtiger Zusammensetzung der Zwischenscheiben 20, 21 und der Anschlussplatte 28, bzw. der Deckplatte 27 mit den Steuermembranen 29, zu Kanälen 57 zusammengesetzt werden können, welche Kanäle das Druckmedium in die entsprechenden Druckräume 22, 25, 24, 25 einlässt, bzw. auslässt. Die Wirkungsweise des in der Fig. 2 gezeigten Verstärkers erfolgt unter Einbeziehung der oben genannten Vorteile in ähnlicher Weise wie der in Fig. 1 beschriebene, bekannte Verstärker. Der Steuerstössel 54 gibt je nach Bewegung in die eine oder andere Richtung die Oeffnung 55 frei oder schliesst sie. Die Oef fnung bzw. Leitung 54 führt zu einem Steuerorgan, welches den Druck bzw. die Druckänderung in der Leitung 54 in. entsprechender Weise zu Steuerungszwecken verwendet.

In der Fig. 5 ist die Steuermembran 29 im Querschnitt dargestellt. Die Steuermembran besteht aus einem Membranteller 59» der aus starrem Material wie z.B. Metall (Aluminium, Messing, Stahl, Kupfer) und deren Legierungen oder aus Kunststoffen (Polyvinyl, Polyurethane, Polykarbonate) hergestellt ist. Ferner besteht die Steuermembran 29 aus einem Aussenring 40, der aus gleichem oder ähnlichem starrem Material wie der Membranteller 59 hergestellt ist. Der starre Aussenring 40 ist mit solchen räumlichen Abmessungen hergestellt worden, dass er konzentrisch um den Membranteller 59 gelegt zwischen dem Membranteller und sich einen Zwischenraum 41 lässt, welcher Zwischenraum eine bestimmte Breite 42 gemäss Fig. 5 aufweist. Der Membranteller 59 und der Aussenring 40 werden zur Steuermembran 29 in der Weise hergestellt, dass eine gummielastische Schicht 45 aus zum Beispiel Neopren, Gummi, Siliconkautschuk, die beiden genannten Teile 59, 40 allseitig umgibt und den Zwischenraum 41 überbrückt. Die "ueberbrückung" des Zwischenraums 41 geschieht mit einer bestimmten Wandstärke der gummi elastischen Schicht, so dass die Verbindung zwischen dem Membranteller 59 und dem Aussenring 40 spannungsfrei ist. Die Wandstärke der gummielastischen und spannungsfreien Verbindung des Zwischenraums 41 steht in einem bestimmten Verhältnis zu der Breite 42 des Zwischenraums. Die gummi elastische Schicht 45 umschliesst die Aussenflächen des Membrantellers 59 und

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des Aussenrings 40 und lässt die Oeffnungen 44, 45 sowie die Oeffnung in der Mitte für den Durchgang des Steuerstössels 34 frei. Die so hergestellte Steuermembran 29 wird in einen Verstärker wie er beispielsweise in der Fig. 2 gezeigt ist, eingesetzt.

In der Fig. 4 ist die Steuermembran der Fig. 3 in der Aufsicht dargestellt. Der Aussenring 40 der Steuermembran besitzt eine Mehrzahl von Bohrungen bzw. durchgehenden Oeffnungen. Diese Bohrungen 44» 45 dienen verschiedenen Zwekrken. Die Oeffnungen bzw. Bohrungen 44 dienen zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 30, welche gemäss Fig. 2 in bestimmter ¥eise über den umfang des Regelverstärkers verteilt sind.und die Zwischenscheiben 20, 21, die Steuermembranen 29 sowie die Deckplatte 27 und Anschlussplatte 28 zu einer Baueinheit verbinden und befestigen. Andere Ausnehmungen bzw. Bohrungen 45, die gemäss Fig. 4 auf dem umfang der Steuermembran 29 bzw. auf dem Aussen- : ring 40 der Steuermembran in bestimmter Yeise angeordnet sind, dienen als Kanäle, durch welche das Druckmedium in die verschiedenen'Druckräume 22, 23, 24, 25 eingeführt wird oder aus diesen Druckräumen abgeführt wird. Die Bildung solcher Kanäle werden erst im Zusammenhang mit der in den Fig. 5, 6 gezeigten Zwischenscheibe 20, 21 näher beschrieben. In der Fig. 4 ist die Breite 42, des Zwischenraumes 41 dargestellt.

DjLe Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Zwischenscheibe 20 bzw. 21. Wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 2 gesagt, bilden diese Zwischenscheiben 20, 21 zusammen mit der Deckscheibe 27 und der Anschlusscheibe 28 die Druckräume 22, 23, 24, 25, 26 usw. des RegelVerstärkers. Die in der Fig. 5 im Querschnitt gezeigte Zwischenscheibe 20 bzw. 21 besteht aus einem starren Material, welches ähnlich dem Material des Membrantellers 39 und des Aussenrings 40 der Steuermembran 29 sein kann. Die Zwischenscheibe hat den gleichen Aussendurchmesser wie die Steuermembran. Auf den Spannflächen 46» 47 der Zwischenscheibe 20, 21, welche mit dem Aussenring 40 der Steuermembran 29 zusammengesetzt wird, sind ebenfalls Ausnehmungen bzw. Bohrungen 37, 48, die mit den Ausnehmungen bzw. Bohrungen 44, 45 der Steuermembran 29 fluchten. Die Ausnehmungen der Zwischenscheibe sind ebenfalls für verschiedene Zwekke gedacht. Die auf dem Umfang in bestimmter Weise verteilten Bohrungen bzw. Ausnehmungen 48 dienen zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 30, die wie bereits erwähnt, den gesamten Regel verstärker verbinden und die Einzel teile befestigen. Die Ausnehmungen bzw. Bohrungen 37 der Zwischenscheibe 20, 21 werden gemeinsam mit den entsprechenden Bohrungen der Steuermembran 29 zu Kanälen

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—If—

37 zusammengefügt. Diese Kanäle dienen dem Einlass bzw. dem Auslass des Druckmediums in die verschiedenen Druckräume 22, 23, 24, 25 des Regelverstärkers; Jede Zwischenscheibe 20 oder 21 kann eine oder mehrere Wüten 36 haben, die von den Ausnehmungen bzw. Bohrungen 37 radial zur Mitte der Zwischenscheibe verlaufen. Der Zweck der Nuten 36 ist die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Kanal 37 und dem Druckraum. In der Fig. 5 sind zwei Nuten 36 sichtbar. Die hintere Nute 36 stellt die Verbindung zwischen dem gestrichelt gezeichneten Kanal 37 und dem oberen Druckraum her. Die auf der linken Seite der Fig. 5 dargestellte Nute 36 stellt die Verbindung zwischen einem anderen Kanal 37 und dem unteren Druckraum her. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass nicht nur ein Kanal sondern zwei oder mehrere Kanäle 37 Zugang zu einem einzigen Druckraum haben. Die Zwischenscheiben 20, 21 usw. können in einfacher Weise so programmiert werden, dass ein oder mehrere Zugänge zu den Druckräumen vorgesehen sind. Die Nuten 36 werden bei der Herstellung der Zwischenscheiben in der gewünschten Weise vorgesehen.

In der Mitte der Zwischenscheibe 20 bzw. 21 befindet sich eine Bohrung 49 zur Aufnahme des Steuerstössels 34 über eine, in der Fig. 7 gezeigte Dichtmembrane 38· Da die Dichtmembrane 38 besondere Bedingungen zu erfüllen hat, was im Zusammenhang mit der Fig. 7 näher erwähnt wird, sind die Flächen 50, welche die Dichtmembrane 38 aufnehmen, zu einem konischen Halteprofil 50 ausgebildet. Abschliessend wird noch darauf hingewiesen, dass die Zwischenscheiben der Fig. 5 an ihren Flächen 46, 47 Dichtrippen in bekannter Weise aufweisen, um eine Dichtung zwischen den Steuermembranen zu gewährleisten. Dies ist auch in der Fig. 2 gezeigt.

Fig. 7 zeigt die Dichtmembran 38 im Querschnitt. Die Dichtmembrane muss mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllen. Sie muss eine sehr kleine Wirkfläche darstellen und das Verhältnis der wirksamen Flächen der Steuermembran 29 und der Dichtmembrane 38 soll bei 1 : 30 liegen. Ferner muss sie die einzelnen Druckräume 23, 24 oder 25, 26 gut abdichten. Zur reibungslosen Führung des Steuerstössels 34 in seiner Längsachse ist die Dichtmembran 38 aus einem gummielastischen Material hergestellt, welches ähnlich der Schicht 43 ist, das die Steuermembran 29 allseitig umgibt.

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Die Dichtmembrane 38 der Fig. 7 wird in. die Bohrung 49 der ZwiseheHscheibe eingedruckt, so dass das konische Halteprofil 50 der Zwischenscheibe fest und dicht zwischen den äusseren Schenkeln 51 des U-f örmigen. Teils der Dicht membrane 38 -umschlossen int. Die in. der Fig. 7 gezeigten Schenkel 5,1 haben eine gewisse Vorspannung, so dass sie fest auf dem konischen Halteprofil 5© der Zwischenscheibe 20 oder 21 anliegen. Ein Innenteil 52- der Dichtmembrane 38 ist mit den ΐΤ-f örmigen, äusseren Schenkeln 51 über den Steg 53 "verbunden Der innere, kreisförmige Teil 52 der Diehtmembran 38 schnappt in die D'
stücke 35 (Fig. 2) ein. Die gemäss Fig. 7 ausgebildete Dichtmembran. 38
licht einen einfachen Zusammenbau der einzelnen Teile des Regel Verstärkers.

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Claims (1)

1. -Ag *

   Patentansprüche

   1.'Membrananordnung für pneumatische oder hydraulische Verstärker mit mindestens zwei durch Zwischenscheiben gebildeten Druckräumen und mit mindestens einer Steuermembran, dadurch gekennzeichnet, dass:

   - die Steuermembran (29) einen starren Membranteller (39) und einen starren Aussenring (40) mit solchen räumlichen Abmessungen enthält, dass der Aussenring den Membranteiler mit einem Zwischenraum (41) von bestimmter Breite (42) umgibt;

   - der starre Membranteller und der starre Aussenring allseitig mit einer gummielastischen Schicht (43) bedeckt ist und der Zwischenraum (41) eine gummielastische und spannungsfreie Verbindung von bestimmter Wandstärke aufweist.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (40) der Steuerrrcembran (29) auf seinem Umfang verteilte Ausnehmungen (44, 45) enthält und die den Druckraum (22, 23, 24, 25) bildenden Zwischenscheiben (20, 21) an ihren den Aussenring spannenden Flächen (46, 47) gleiche Ausnehmungen aufweisen, welche Ausnehmungen (44, 48) für die Aufnahme von Befestigungsmitteln (3 0) dienen und als Kanäle (37, 45) für ein Druckmedium vorgesehen sind.

   3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zwischenscheibe (20, 21) radial angeordnete Nuten (3 6) aufweist zur Herstellung einer Verbindung mittels einem Kanal (37) und dem durch die genannten Zwischenscheiben gebildeten Druckraum (22, 23, 24, 25).

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   4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung von mindestens zwei Steuermembranen (29) die zwischen den Steuermembranen liegenden Druckräume (23, 24, 25, 26) durch eine kleinflächige Dichtmembrane (38) abgedichtet sind, zum reibungslosen Uebertragen der Steuerbewegung des Steuerstössels (34) , wobei das Verhältnis der wirksamen Flächen der Steuermembranen (2 9) und der Dichtmembrane (38) mindestens 1 : 30 beträgt.

   5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Mitte der Zwischenscheibe (20, 21) angeordnete Bohrung (49) ein konisches Halteprofil (50) für die formschlüssige Aufnahme der Dichtmembrane (38) aufweist, wobei das Halteprofil von äusseren Schenkeln (51) eines U-förmigen Teils der Dichtmembrane (38) mit Vorspannung umfasst wird.

   8.1.1975 Gp/rj

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