DE2620685C2 - Druckmittelbetriebener Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Maßgebliches Anwendungsgebiet derartiger Stellantriebe sind Gasturbinenmotoren für Kraftfahrzeuge.

Die Entwicklung eines einwandfrei arbeitenden Gasturbinenmotors für den Antrieb von Kraftfahrzeugen hängt im wesentlichen Umfang von der Wirksamkeit seiner Steuereinrichtungen ab. Damit eine Neuentwicklung erfolgreich als Alternative mit den bereits hochentwickelten Kolbenmotoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen in Wettbewerb treten kann, muß die Gasturbine nicht nur in der Lage sein, unter allen Betriebsbedingungen vergleichbare Leistungen zu erbringen, sondern auch ein Ansprechen haben, das dem an Kraftfahrzeuge mit Kolbenantriebsmotoren gewöhnten Fahrer vertraut ist.

Die meisten technischen Einrichtungen, die erforderlich sind, um eine Gasturbine für ein Kraftfahrzeug einwandfrei zu steuern, stehen aus den bisherigen Erfahrungen in Verbindung mit Flugzeuggasturbinenmotoren zur Verfügung. In gewisser Weise ist die Konstruktion des Steuersystems schwieriger, weil die Bedienungsperson weniger geschult ist und weil es praktisch notwendig ist, daß das Steuersystem den Kolbenmotorbetrieb im Grenzbereich zwischen Bedienendem und Maschine simulieren muß. Es ist jedoch wesentlich schwieriger, die gewünschten Steuerfunktionen in Einrichtungen zu verwirklichen, die auf einer wirtschaftlichen Basis für die Verwendung im Automobilbau annehmbar sind. Deshalb können viele Steuereinrichtungen und -konstruktionen, die bei Gasturbinen für Flugzeuge Anwendung finden, nicht direkt für den Automobilbau verwendet werden.

Eine der speziellen Steuerfunktionen, die für Gasturbinen als Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge erforderlich sind, ist die Einstellung der Leistungsturbinendüsen. Der Brennstoffdurchfluß und die Turbinendüsenposition werden in Abhängigkeit von verschiedenen Steuer- und Bedienungsparametern, z. B. der Position des Gaspedales, der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrukkes, der Gasgeneratordrehzahl, der Gasgeneratorturbinentemperatur, der Regenerator — heiße Innenwand-Temperatur — und der Obertragungsabgabewellengeschwindigkeit gesteuert Wegen der Kompliziertheit der Sieueranforderungen wird ein Computer verwendet, der mit Signalen aus einer Vielzahl von Sensoren gespeist wird und der die erforderlichen Steuerfunktionen berechnet. Es sind Betätigungseinrichtungen bzw. Stellantriebe erforderlich, die in Abhängigkeit von den Computersteuersignalen arbeiten. Es sind bereits verschiedene Arten von elektromechanischen Betätigungseinrichtungen bzw. Stellantrieben bekannt, die auf eine Vielzahl von Abgabefunktionen gerichtet sind, z. B.

aus den US-Patentschriften 20 55 209, 25 70 624, 32 64 947 und 33 80 394.

Insbesondere ist aus der US-PS 25 70 624 ein druckmittelbetriebener Stellantrieb der gattungsgemäßen Art bekannt. Ein derartiger bekannter Stellantrieb arbeitet elektropneumatisch, und die Magnetspulen sind am Ventilblock starr befestigt. Damit der Kolben die Ventilstange neu positionieren kann, muß er die von der Spule auf den Tauchkolben ausgeübte elektromagnetische Kraf* überwinden, so daß diese sich bei einer Verstellung des Schiebers zu der Rückkopplungskraft hinzuaddiert, und damit für die Verstellung ein verhältnismäßig hoher Kraftbedarf erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellantrieb der gattungsgemäßen Art mit einfachem Aufbau zu schaffen, der in bezug auf den Kraftbedarf bei der Rückführung verbessert wird, damit im Verlauf der Rückführung die Verstellung möglichst weich erfolgt.

Dies wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anpruches erreicht.

Mit der Erfindung wird ein druckmittelbetriebener Stellantrieb vorgeschlagen, der insbes. zur Einstellung der Turbinendüsen einer Fahrzeugturbine in Abhängigkeit von elektrischen Befehlssignalen geeignet ist. Bei einem Fahrzeugsystem, für das die vorliegende Erfindung bevorzugt eingesetzt wird, werden die elektrischen Signale durch einen Steuercomputer erzeugt, der in Abhängigkeit von den charakteristischen Eigenschaften des Systems und in Abhängigkeit von Zustandssignalen.die durch verschiedene Sensoren erzeugt werden,

betrieben wird. Der Aufbau des Computers ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung. Ein Stellantrieb nach vorliegender Erfindung kann auch in anderen Systemen und in Abhängigkeit von Signalen verwendet werden, die aus anderen Speisequellen stammen. Ein Stellantrieb nach der Erfindung erzeugt einen Ausgang proportional den elektrischen Eingangssteuersignalen. Die Abgabebewegung des Stellantriebes treibt über einen Gelenkmechanismus einen Zahnkranz an, der seinerseits die Düsen der Turbine um den gewünschten Winkelweg dreht. Bei diesem System wird die Düsenposition zwischen +82° und 0° als Funktion der Turbinendrehzahl bei Leerlauf und zwischen 0° und — 8° als Funktion der Regeneratoreinlaßtemperatur bei Dauerbetrieb verändert. Insbesondere werden die Winkelstellungen der Düsen während der Beschleunigung, der Verzögerung und des Anlaufes spezifiziert, wobei dann die Leerlauf- und Dauerbetriebsbedingungen übersteuert werden. Zusätzlich können die Stellan-

triebe zum Reversieren der Düsen verwendet werden, indem sie in einem Bremsantrieb so positioniert werden, daß eine Teilbremsung des Fahrzeuges von der Turbine erzielt wird.

Vorliegend sind ein hydraulisches Vierwegeventil, ein Wandler und ein Kolben vorgesehen, dessen Kolbenstange eine Linearbewegung proportional einem elektrischen Eingangssignal ausführt Die Kolbenstange ist mit einer Last gekoppelt, die im Falle eines Fahrzeugturbinensystems durch einen Zahnkranz an^ebracht wird, der die Turbinendüsen über den gewünschten Winkelv-cg in Drehung versetzt. Das Servoventil weist einen Proportionalmagnetwandler mit Linearbewegung und Vierwegehydraulikveniil mit hoher Verstärkung auf. Der Tauehmagnetanker besitzt eine konisch geformte Stirnfläche, um den Bereich der Kraftoetätigung auf einem Minimum zu halten. Eine Bohrung durch den Kolben dient zur Steuerung der Dämpfung und damit zur Stabilisierung des Ventilschiebers. Der Tauchmagnettanker ist federvorgespannt und ergibt einen Weg, der proportional dem Eingangsstrom in die Magnetspule ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Stellantrieb wird ein gegenüber bekannten Antrieben verbessertes proportionales Ansprechverhalten sowohl bei Linear- als auch bei Drehstellantrieben erzielt. Diese Stellantriebe sind insbes. vorteilhaft anwendbar für Einstellsysteme von Turbinendüsen bei verbesserten und vereinfachten Turbinenantriebssystemen für Kraftfahrzeuge. Die Linearisierung dieser Stellantriebe ermöglicht die Betätigung des Turbinendüsensteuersystems, ohne daß ein Regelkreis notwendig ist, so daß das Turbinenstruersystem wesentlich billiger und einfacher hergestellt werden kann und der Turbinenantrieb eine konkurrenzfähige Alternative zu herkömmlichen Kolbenmotoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die einzige Figur zeigt teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines druckmittelbetriebenen Stellantriebes gemäß der Erfindung.

Der lineare Servostellantrieb 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das ein hydraulisches Vierwegeventil 14, einen proportional wirkenden Elektromagneten 16 und einen Kolben 18 aufnimmt. Eine Gelenkverbindung 20 verbindet den Elektromagneten 16 und den Kolben 18 miteinander, so daß ein Ausgang erzielt wird, der linear proportional der elektrischen Signaleingabe im Magneten ist.

Das hydraulische Ventil 14 weist eine Einlaßleitung 22 zum Anschluß an eine Speisequelle druckaufgeladenen Strömungsmittels (nicht dargestellt) sowie einen Auslaß 24 zur Verbindung mit einer Strömungsmittelrückführ-Ieitung auf. Die inneren Strömungsmittelleitungen 26 und 28 sind vom Ventil 14 mit den entgegeng(_set?ten Seiten des Kolbens 18 innerhalb des Zylinders 30 verbunden. Ein Schieber 32 ist so angeordnet, daß er sich seitlich innerhalb der Ventilkammer 34 bewegt, damit druckaufgeladenes Strömungsmittel ·όιτι Einlaß an eine der inneren Leitungen 26,28 abgegeben wird. Eine weitere innere Leitung 36 verbindet den Teil der Kammer 34 auf der rechten Seite des Schiebers 32 mit dem Teil der Kammer auf der linken Seite des Schiebers 32, mit dem der Auslaß 24 verbunden ist.

Der Elektromagnet 16 weist eine Spule 40 auf, die mit einem Anker 42 verDunden ist, der innerhalb des Gehäuses 12 abdichtend (Dichtung 44) verschiebbar ist. Der Elektromagnet 16 besitzt einen Taiichmagnetanker 46, der eine zentrische Öffnung 48 aufweist Der Tauehmagnetanker 46 ist mit dem Schieber 32 über ein Gelenk 50 verbunden. Der Elektromagnet 16 ist mit Hilfe einer Kompressionsfeder 52 mechanisch vorgespannt, die sich zwischen benachbarten Stirnseiten der Spule 40 und des Tauchmagnetankers 46 erstreckt, damit eine Rückkopplungskraft erzielt wird. Die direkte Verbindung zwischen dem Tauehmagnetanker 46 des Elektromagneten und dem Ventilschieber 32 über das Gelenk 50 ergibt einen Nulltotgang und nimmt gleichzeitig das enge Spiel des Ventilschiebers 32 auf. Der Tauehmagnetanker 46 ist im Strömungsmittelrückführkanal des Stellantriebsgehäuses untergebracht und ergibt eine minimale Betätigungskraft für den Ventilschieber 32. Die hydraulische Dichtung 44 für das Solenoid ist am äußeren Durchmesser der Spule 40 vorgesehen, und die Kraft für die Folgebewegung wird durch den Kolben 18 bereitgestellt. Da das Ventil 14 eine Hochdruckverstärkung besitzt, ist der Fehler, welcher von der Überwindung der Dichtungsreibung herrührt, sehr klein.

Mit dem Kolben 18 ist eine Kolbenstange 60 verbunden, die im Gehäuse 12 mit Hilfe der Abdichtung 62 abgedichtet ist. Die Gelenkverbindung 20 weist einen Hebel 64 auf, der drehbar mit dem Gehäuse 12 an einer Schwenkstelle 66 verankert und schwenkbar mit der Kolbenstange 60 an der Schwenkstelle 68 und mit einer Stange 70 des Magnetankers 42 an einem Gelenkpunkt 72 verbunden ist. DU; Kopplung mit der Kolbenstange 60 zum Antrieb des zugehörigen Turbinendüsenringzahnrades (nicht da'gestellt) kann durch eine Kopplung 74 erzielt werden. Die gestrichelt angedeutete Umrißlinie des Hebels 64 zeigt die Position der Gelenkverbindung 20, die der Bewegung des Kolbens 18 in die äußerste rechte Position innerhalb des Zylinders 30 entspricht.

Der Stellantrieb arbeitet ausgehend von einem stabilen Zustand, bei dem der Schieber 32 die Strömungsmittelleitungen 26, 28 für einen gegebenen Pegel des Eingangssignals in den Magneten 16 verschließt. Wird der Signalstrom vergrößert, wird ein Punkt erreicht, bei welchem die Vorbelastung der Feder 52 durch die elektromagnetische Kraft auf den Tauehmagnetanker 46 des Magneten überwunden wird. Dadurch wird der Schieber 32 des Servoventiles nach links verschoben und bewirkt, daß hydraulische Strömungsmittel von dem Druckmitteleinlaß 22 in die Leitung 26 fließt, die sich zur Kolbenstangenseite des Kolbens 18 erstreckt. Der Kolben 18 spricht durch Bewegung nach rechts im Zylinder 30 über die Gelenkverbindung 20 an und bewegt auch cien Anker 42 und die Spule 40 nach rechts. Dies hat zur Folge, daß der Schieber 32 des Servoventils in die Nullposition zurückkehrt, wodurch die Leitungen 26,28 verschlossen werden und der Kolben 18 an der neuen Position angehalten wird. Eine weitere Zunahme des Signalstromes bewirkt, daß der Kolben 18 um einen Betrag proportional der Zunahme des Signalstromcs nach rechts weiterbewegt wird. Eine Abnahme des Signalstromes hat zur Folge, daß der Kolben 18 sich in entsprechender Weise nach links bewegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Druckmittelbetriebener Stellantrieb mit proportional zu einem elektrischen Eingangssignal wirkender Verstellung der Kolbenstange eines doppelt wirkenden druckmiltelbetätigten Motors, dessen Kolbenstange zur Rückführung des Schiebers eines Mehrwegeventils in die Neutralstellung mit einer mechanischen Rückführeinrichtung verbunden ist, die ihrerseits mit dem als Tauchkolben ausgebildeten Anker eines das elektrische Eingangssignal erhaltenden Elektromagneten mechanisch gekoppelt ist, wobei der Schieber des Mehrwegeventils nach Maßgabe des der Spule des Elektromagneten zugeführten elektrischen Eingangssignals zur Steuerung des Druckmittelflusses für den druckmittelbetätigten Motor verstellbar und der Anker des Elektromagneten mit dem Schieber mechanisch verbunden ist, und mit einer sich auf dem Anker abstützenden Feder, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (40) des Elektromagneten (16) verschiebbar im Magnetgehäuse gelagert ist, derart, daß sie im Verlauf der Rückführung durch den elektromagnetischen Kraftfluß vom Anker (42) mitbewegt wird, daß die auf dem Anker (42) sich abstützende Feder (52) mit ihrem anderen Ende auf der Spule (40) abgestützt isi, und daß in an sich bekannter Weise der druckmittelbetätigte Motor hydraulisch betrieben ist.