DE2546703A1

DE2546703A1 - Fluidbetaetigte vorrichtung mit hysterese-effekt

Info

Publication number: DE2546703A1
Application number: DE19752546703
Authority: DE
Inventors: Dean Henry Crombie; Kenneth Peter Hansen
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1976-05-06
Also published as: FR2289783B1; JPS5166982A; GB1529724A; FR2289783A1; IT1043683B; SE413258B; JPS5936156B2; SE7511781L; US3968729A

Description

Patentanwalt 2546703 DipHng. RolfMenges

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Telefon (08106) 2176

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PATENTMENGES Zorneding 307487-803

Mein Zeichen/My ref. U 268

^Ta9/Date 15. OKt. 1975

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Fluidbetätigte Vorrichtung mit Hysterese-Effekt

Die Erfindung betrifft eine fluidbetätigte Vorrichtung, die einen Hysterese-Effekt hat. Insbesondere spricht die Vorrichtung auf ein veränderliches Eingangsdrucksignal an, indem sie verschiedene Ausgangssignale bei einem ersten zunehmenden Signalwert und bei einem zweiten abnehmenden Signalwert erzeugt.

In vielen fluidbetätigten Systemen ist es erwünscht, deutlich verschiedene Ausgangssignale nur dann zu schaffen, wenn ein moduliertes Drucksignal oberhalb oder unterhalb vorbestimmter Werte liegt. Ein bekanntes System, welches eine Ausgangsempfindlichkeit dieser Art hat, ist in der US-PS 3 106 623 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung schafft zwar eine Hysteresecharakteristik, sie ist jedoch im Betrieb und in ihrem Aufbau relativ komplex, denn sie weist mehrere Ventilsitze auf, von denen jeder sauber sein und mit dem übrigen

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Aufbau fluchten muß, damit die Vorrichtung korrekt arbeitet.

Es ist demgemäß ein Hauptziel der Erfindung, eine verbesserte fluidbetätigte Vorrichtung zu schaffen, die ohne die Komplexität der bekannten Vorrichtungen einen Hysterese-Effekt liefert.

Die Erfindung schafft eine fluidbetätigte Vorrichtung, die einen Hysterese- oder Schaltunempfindlichkeitseffekt zeigt, und insbesondere eine Vorrichtung, die auf einen zunehmenden Druck bei einem Signalwert und auf einen abnehmenden Druck bei einem unterschiedlichen und niedrigeren Signalwert anspricht.

Die Vorrichtung enthält ein Gehäuse mit einer Bohrung, in welcher ein Schieberkolben in Abhängigkeit von einem Druck, der auf die entgegengesetzten Enden des Schieberkolbens ausgeübt wird, vor^ und zurückgleitet. Ein Eingangsdruck wird auf das eine Ende des Schieberkolbens ausgeübt, während das entgegengesetzte Ende in einer Druckkammer freiliegt, in welche über eine Ventilanordnung Fluid eingelassen wird. Die Ventilanordnung ist vorzugsweise ein Teller- oder Kugelventil, welches an dem Schieberkolben anliegt und durch denselben geöffnet wird, wenn ein Eingangsdruck an dem entgegengesetzten Ende des Schieberkolbens einen ersten Wert erreicht.

Die Druckkammer ist mit Einrichtungen zum begrenzten Ablassen von Druckfluid aus der Kammer versehen. Deshalb wird, wenn die Ventilanordnung geschlossen ist, der zum öffnen des Teller- oder Kugel ventils erforderliche Druck durch die Querschnittsfläche des Ventilsitzes festgelegt. Wenn das Ventil geöffnet ist, füllt Druckfluid die Kammer und wirkt auf das freiliegende Ende des Schieberkolbens ein. Wenn der Eingangsdruck anschließend auf einen zweiten Wert verringert wird, kehrt der Schieberkolben in seine Anfangsstellung zurück. Wenn die Querschnittsflächen des Ventilsitzes und des freiliegenden Endes des Schieberkolbens im Verhältnis zu einander gewählt werden, können unterschiedliche Eingangsdruckwerte, bei welchen der Schieberkolben in jeder Richtung verschoben wird,

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festgelegt werden. Demgemäß zeigt die Vorrichtung einen Hystereseoder Schaltunempfindlichkeitseffekt zwischen den verschiedenen Druckwerten.

Die Erfindung schafft also eine fluidbetätigte Vorrichtung, die beim Empfang eines Eingangsdrucksignals einen Hysterese- oder Schaltunempfindlichkeitseffekt zeigt, indem sie auf ein zunehmendes Drucksignal bei einem ersten Wert und auf ein abnehmendes Drucksignal bei einem zweiten und niedrigeren Wert anspricht. Die Vorrichtung enthält einen Steuerschieber, dessen Schieberkolben an einem Ende mit dem Eingangsdrucksignal beaufschlagt wird. Das entgegengesetzte Ende des Schieberkolbens, welches eine gegebene Querschnittsflache hat, ragt in eine Druckkammer hinein und berührt den Teller oder die Kugel eines Teller- bzw. Kugelventils, welches durch einen regulierten Druck geschlossen gehalten wird, der durch den Schieberkolben erzeugten Kräften entgegenwirkt. Der Sitz des Teller- oder Kugelventils umgibt eine Einlaßöffnung der Druckkammer, so daß der regulierte Druck in die Druckkammer eingelassen wird, wenn der Schieberkolben den Teller oder die Kugel in die Offenstellung drückt. Die effektive Fläche des Ventilsitzes ist größer als die Querschnittsfläche des Schieberkolbenendes, das an dem Teller oder der Kugel anliegt, so daß das Kraft- oder Eingangsdrucksignal, das zum Verschieben des Schieberkolbens und zum öffnen des Teller- oder KugelventiIs erforderlich ist, größer ist als dasjenige, welches dem Schieberkolben erlaubt, zurückzukehren und das Teller- oder Kugelventil zu schliessen. Ein Hysterese- oder Schaltunempfindlichkeitseffekt, der durch die unterschiedlichen Querschnittsflächen festgelegt ist, drückt sich durch die Schieberkolbenbewegungen aus und durch diese Bewegungen wird ein Hydraulikmechanismus gesteuert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen.

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Steuerschie

bers nach der Erfindung in einer typischen Umgebung, zu welcher eine Anordnung aus einer Klappe

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und einer öffnung gehört, die dem Eingangsende des Steuerschiebers ein kontrollierte Eingangsdrucksignal liefert,

Fig. 2 ein Diagramm, welches den Hysterese-Effekt

des Steuerschiebers von Fig. 1 zeigt, wodurch der Ausgangsdruck des Steuerschiebers zwischen einem hohen Druck und einem niedrigen Druck schaltet, und zwar in Abhängigkeit von der Verstellung der Klappe gegenüber der öffnung, wobei die Pfeilspitzen in dem Diagramm die Wirkung einer zunehmenden und abnehmenden Klappenverstellung veranschaulichen, und

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Eingangsdrucksig

nals, das über der Klappenverstellung aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt ein Steuersystem, welches ein herkömmliches Fluidabsperrorgan mit einer Klappe 10 enthält, die sich in Abhängigkeit von einem Eingangsparameter bewegt, wie etwa schematisch bei 16 dargestellt, und zwar durch ein Zwischengestänge oder dgl., welches insgesamt mit der Bezugszahl 14 bezeichnet ist. Die Klappe 10 ist in einer Kammer (nicht dargestellt) bei einem EntlUftungs- oder Ablaßdruck P_Q angeordnet. Die Verstellung der Klappe 10 in bezug auf eine öffnung 16 wird in der folgenden Beschreibung durch eine Veränderliche X dargestellt.

Eine Quelle für Druckhydraulikfluid mit einem regulierten Referenzdruck Pß steht über eine feste öffnung 17 mit der Klappenöffnung 16 und über einen weiteren Durchlaß mit einer Bohrung in einem Steuerschiebergehäuse 18 in Verbindung. Änderungen der Klappenverstellung X werden von Modulationen des Eingangsdrucksignals P.. an dem linken Ende des Kolbenschiebers 20 in der Bohrung des Gehäuses 18 begleitet. Die Beziehung zwischen dem Eingangsdrucksignal P» und der Verstellung X ist in Fig. 3 dargestellt, wobei das maximale Drucksignal P_R ist, wenn die Verstellung X Null ist. Das Drucksignal nimmt mit zunehmender Verstellung X ab und nähert sich asymptotisch dem Ablaßdruck P₀. Für

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Referenzzwecke entspricht ein Druck P, einer Verstellung X^ und ein Druck P₂ einer Verstellung X₂, die größer als die Verstellung X₁ ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 und bei der gezeigten Stellung des Schieberkolbens 20 wird ein Ausgangsdrucksignal P^₅ in einer Leitung 22 über öffnungen in der Gehäusebohrung aus einer Hochdruckquelle Pu₀ in einer Leitung 38 entnommen und einer zugeordneten Vorrichtung zugeführt, wie beispielsweise einem Stellglied 70. Wenn infolge einer Zunahme des Eingangsdruckes P^ der Schieberkolben 20 aus der dargestellten linken Stellung an einem Anschlag 40 in eine neue Stellung nach rechts verschoben wird, wobei diese Verschiebung durch den Anschlag 42 begrenzt wird, so wird die öffnung für die Leitung 38 durch den Schieberkolbenbund 32 verschlossen und die öffnung einer Leitung 48, die mit einer anderen Quelle P^₀ verbunden ist, in Verbindung mit der öffnung der Leitung 22 und dem Stellglied 70 gebracht. Deshalb bewirkt das Vor- und Zurückschieben des Schieberkolbens 20 in dem Gehäuse 18 zwischen Stellungen, die links durch den Anschlag 40 und rechts durch den Anschlag 42 begrenzt sind, daß sich das Ausgangsdrucksignal Ρ»ΐις stufenweise zwischen zwei Werten ändert.

Der Druckwert Pp der für das Eingangssignal Pw erforderlich ist, um den Schieberkolben 20 in Fig. 1 nach rechts zu verschieben, ist durch die Rückstellkraft an dem entgegengesetzten Ende des Schieberkolbens 20 festgelegt. Die Rückstellkraft wird zum Teil durch den Druck in der Druckkammer 23 an dem entgegengesetzten Ende der Bohrung in dem Gehäuse 18 festgelegt. Die Druckkammer 23 ist mit einer mit einer Drosselbohrung versehenen Leitung 60 verbunden, die zu dem Ablaßdruck P_Q führt, um Druckfluid aus der Kammer begrenzt abzulassen. Eine weitere Leitung 60a entleert die Bohrungskammer, welche den Begrenzungsanschlag 42 enthält, um sicherzustellen, daß in dieser Kammer auf grund von an den Bunden 32a und 34 des Schieberkolbens 20 vorbei vordringendem Fluid keine Rückstellkräfte gebildet werden.

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Ein Teller- oder Kugelventil, welches einen Teller oder eine Kugel 28, einen ringförmigen Ventilsitz 30 und eine Schraubenfeder aufweist, ist in einer öffnung in der Druckkammer 23 angeordnet und steuert den Einlaß von Fluid mit dem regulierten Druck P_R von der stromaufwärtigen oder rechten Seite der Kugel 28 und der Leitung 24. Der Schieberkolben 20, die Druckkammer 23 und das Kugelventil sind derart in einer Linie angeordnet, daß das rechte Ende des Schieberkolbens an der Kugel 28 anliegt. Um die Kugel von ihrer Stellung auf dem Sitz wegzudrücken und um Fluid mit dem regulierten Druck P_R aus der Leitung 24 durch den ringförmigen Sitz 30 und in die Kammer 23 zu leiten, muß das Eingangsdrucksignal P^ die auf den Schieberkolben wirkende Rückstellkraft überwinden, die durch die Schraubenfeder 26 und den regulierten Druck P_R erzeugt wird, der die Kugel gegen den Ventilsitz 30 gedrückt hält, welcher eine effektive Fläche A₂ hat. Nachdem die Kugel 28 durch den Schieberkolben in die Offenstellung gedrückt worden ist, wird das Ende des Schieberkolbens in der Kammer 23 effektiv mit der vollen Größe des Druckes P_R beaufschlagt, da die Drosselöffnung in der Ablaßleitung verhältnismäßig klein ist. Die effektive Querschnittsfläche des Schieberkolbens, auf die der Kammerdruck einwirkt, ist in Fig. 1 mit A, bezeichnet.

Nach Vorstehendem bestimmen deshalb die wirksame Querschnittsfläche A₂ des Ventilsitzes 30 und der regulierte Druck P_R zusammen mit einer geringen Vorspannkraft, die durch die Schraubenfeder 26 erzeugt ist, den Druckwert des Eingangssignals Pw, welches den Schieberkolben aus der dargestellten Position in Fig. 1 nach rechts verschiebt und den Ausgangsdruck Ρ«.,ς auf den Druck der Quelle P^ abfallen läßt. Andererseits bestimmen die Fläche A, und der regulierte Druck P_R zusammen mit einer leichten Vorspannkraft, die durch die Schraubenfeder 26 geliefert wird, den Druckwert des Eingangsdrucksignals P_M, bei welchem der Schieberkolben zurück in die in Fig. 1 dargestellte Position geschoben wird, um den Ausgangsdruck P._us auf den Druck der Quelle P^ zu erhöhen. Durch Wählen der Flächen A, und A₂ in bezug auf einander können somit die Werte des Eingangsdrucksignals P_M gesteuert werden, bei welchen der Ausgangsdruck P_AUS zwischen

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den Quellen P„r, und P^ umschaltet. Beispielsweise ist die Fläche A« größer als die Fläche A, und folglich muß der ansteigende Eingangsdrucksignalwert, der zum Verschieben des Schieberkolbens 20 nach rechts benötigt wird, höher sein als das abfallende Drucksignal, welches den Schieberkolben nach links bewegt. Die effektive Querschnittsfläche Ag des Schieberkolbens 20 an dem linken Ende muß nur geringfügig größer sein als die Fläche Ap des Ventilsitzes 30, um den Schieberkolben 20 nach rechts zu verschieben, wenn die Verstellung X Null ist, weil der Druck P« dann sowohl auf die Fläche A₂ wie auch auf die Fläche A^ einwirkt. Wenn der regulierte Druck, der über die Leitung 24 zugeführt wird, in bezug auf den regulierten Druck stromaufwärts der Öffnung 17 einstellbar ist, aus welchem der modulierte Druck Ρ» durch die Klappe 10 gebildet wird, so können alle Flächen A,, A₂ und Aj verändert werden, um kritische Eingangsdruckwerte bei irgendwelchen gewünschten Drücken, die den Druck P_R nicht übersteigen, festzulegen.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die Veränderungen in dem Ausgangsdrucksignal bzw. dem Eingangsdrucksignal in Abhängigkeit von der Klappenstellung X. Nimmt man an, daß der Schieberkolben sich in seiner dargestellten Position befindet und daß die Klappenposition etwa maximal und abnehmend ist, so nimmt das Eingangsdrucksignal P_M in Fig. 3 durch den Wert P-, hindurch zu und nähert sich asymptotisch dem Maximaldruck P_R. Das Ausgangsdrucksignal P.,,^ geht während desselben Intervalls von Ρ,,η,, wie in Fig. 2 gezeigt, von dem Teil 44 der Kurve auf P^₀, wie durch den Teil 46 der Kurve dargestellt, indem er die gestrichelten Teile 56 und 54 in der Richtung der Pfeilspitzen an diesen Teilen durchquert. Bei einer Verstellung X^ und einem Eingangsdruckwert P, sind die durch das ansteigende Eingangsdrucksignal P., gebildeten Kräfte ausreichend, um die Rückstellkräfte zu überwinden, die durch die Schraubenfeder 26 und durch die Kugel 28 unter dem Einfluß des Druckes Pn gebildet werden, und somit wird der Schieberkolben 20 verschoben, um den Ausgangsdruck Ρ.,,ς zu verändern.

Wenn die Bewegung der Klappe 10 nun umgekehrt wird, um die Verstellung X über den Wert X₂ zu vergrößern, so nimmt das Eingangsdrucksignal P^

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über den Wert P 2 ab und nähert sich asymptotisch dem Ablaßdruck Ρ_β. Wenn der Druck P^ unter den Wert Pp abfällt, drückt der Druck in der Kammer 23 den Schieberkolben 20 in die in Fig. 1 dargestellte Stellung zurück. Entsprechend ändert sich das Ausgangsdrucksignal ^PAUS ^von ^^em ^{Wert P}ND ™ ^PHD' ^w^^{e ersicntlicn}» ^{wenn das} Diagramm in Fig. 2 längs der Teile 50 und 52 zwischen den Teilen 46 und 44 durchquert wird.

Es ist zu erkennen, daß das Diagramm in Fig. 2 eine Hysteresekurve ist und daß somit der Steuerschieber und das Teller- oder Kugelventil, die in Fig. 1 dargestellt sind, die Vorrichtung nach der Erfindung bilden, welche eine Hysteresekennlinie hat. Es ist außerdem zu erkennen, daß Störungen des Eingangsdrucksignals Pj₁. zwischen den Druckwerten P, und P?> die diese Werte nicht enthalten, keine Auswirkung auf die Schieberkolbenposition haben und infolgedessen die Vorrichtung eine Schaltunempfindlichkeitskennlinie zwischen diesen Werten zeigt.

Die Erfindung ist zwar am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsfortn beschrieben worden, im Rahmen der Erfindung bietet sich jedoch dem Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungs- und Ersatzmöglichkeiten. Beispielsweise ist das Ausgangssignal der Vorrichtung als ein Drucksignal dargestellt worden. Die Vorrichtung ist jedoch nicht darauf beschränkt, denn von dem Schieberkolben 20 können auch andere Signale abgenommen werden, wie beispielsweise elektrische Signale oder mechanische Signale. Außerdem ist zwar eine Steuerklappe verwendet worden, um das Eingangsdrucksignal zu bilden, es können jedoch auch andere Druckbeeinflussungsvorrichtungen verwendet werden. Demgemäß dient die dargestellte bevorzugte AusfUhrungsform nur zur Erläuterung der Erfindung, die nicht darauf beschränkt ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Fluidbetätigte Steuervorrichtung, die auf ein Eingangsdrucksignal hin einen vorbestimmten Hysterese-Effekt zeigt, gekennzeichnet durch:

ein Gehäuse (18), welches eine Innenbohrung mit einem Durchlaß zur Aufnahme des Eingangsdrucksignals (P») und zum Einleiten dieses Drucksignals in ein Ende der Bohrung und eine Druckkammer (23) an dem entgegengesetzten Ende der Bohrung hat; einen innerhalb der Gehäusebohrung hin- und herverschiebbar angeordneten Schieber (20), dessen eines Ende dem an dem einen Ende der Bohrung empfangenen Eingangsdrucksignal ausgesetzt ist und dessen entgegengesetztes Ende eine erste vorbestimmte Querschnittsfläche (A,) hat, die einem Druck in der Druckkammer (23) an dem entgegengesetzten Ende der Bohrung ausgesetzt ist;

Einrichtungen (60) zum begrenzten Ablassen von Druckfluid aus der Druckkammer (23);

ein Ventil (26, 28, 30), das mit der Druckkammer in Verbindung steht, um ein reguliertes Druckfluid in die Druckkammer einzulassen und das entgegengesetzte Ende des Schiebers (20) dem Druckfluid auszusetzen, mit einem Ventilsitz (30), der eine zweite vorbestimmte Querschnittsfläche (Ag), hat, mit einem beweglichen Verschlußkörper (28), der mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, um das Ventil zu öffnen und Druckfluid in die Druckkammer einzulassen, und das mit dem entgegengesetzten Ende des Schiebers in Verbindung steht, damit er zwischen Ventiloffen- und Ventil Schließstellungen in Abhängigkeit von Druckkräften verschoben wird, die durch das Eingangsdrucksignal (Pw) an dem einen Ende des Schiebers gebildet werden, wobei die zweite vorbestimmte Querschnittsfläche (Ag) des Ventilsitzes und die erste vorbestimmte Querschnittsfläche (A^) des entgegengesetzten Endes des Schiebers in bezug auf einander so gewählt sind, daß der Schieber in einer Richtung verschoben und das Ventil bei einem ersten Eingangsdrucksignalwert (P^) geöffnet und der Schieber in der entgegengesetzten Richtung verschoben und das Ventil in Abhängigkeit von dem Druckfluid in der Druckkammer bei einem zweiten Eingangsdrucksignalwert (P₂) geschlossen wird, der von dem ersten Wert verschieden ist; und

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Ausgangseinrichtungen (22, 70), die betriebsmäßig mit dem Schieber verbunden und in Abhängigkeit von den Schieberbewegungen verschiedene Ausgangssignale (Pun» P_ND) bei den ersten und zweiten Eingangsdrucksignalwerten liefern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (26, 28, 30) ein Teller- oder Kugelventil ist, das mit dem Gehäuse (18) verbunden ist und dessen Verschlußkörper (28) an dem entgegengesetzten Ende des Schiebers (20) anliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (28) ein Teller oder eine Kugel ist, daß der Ventilsitz (30) ein ringförmiger Sitz mit einer in die Druckkammer (23) führenden öffnung ist und daß eine Feder (26), die in dem Teller- oder Kugelventil enthalten ist, den Teller oder die Kugel (28) zu dem Ventilsitz und dem entgegengesetzten Ende des Schiebers (20) hindrückt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil des Ventils (26, 28, 30), der an dem entgegengesetzten Ende des Schiebers (20) anliegt, kleiner ist als die zweite vorbestimmte Querschnittsfläche (Ag) des Ventilsitzes (30).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtungen (22, 70) Fluidauslaßeinrichtungen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) Fluidkanäle hat, die zu öffnungen (38, 48) in der Bohrung führen, daß der Schieber (20) ein Schieberkolben mit Bunden (32, 32a) ist, die mit den öffnungen und Kanälen zusammenwirken, um ausgewählte öffnungen in unterschiedlichen Schieberkolbenstellungen zu öffnen und zu schließen, und daß die Fluidauslaßeinrichtung (22) mit mindestens einem der Fluidkanäle verbunden ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum begrenzten Ablassen von Druckfluid einen Fluidkanal (60) mit einer Drosselbohrung enthält, der mit der Druckkammer (23) in Verbindung steht.

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