DE2723629A1

DE2723629A1 - Mehrfach-servopositionsregler

Info

Publication number: DE2723629A1
Application number: DE19772723629
Authority: DE
Inventors: Frederick James Fuell
Original assignee: Fairey Hydraulics Ltd
Current assignee: Claverham Holdings Ltd
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1977-12-15
Also published as: FR2352972B2; DE2723629C2; US4150604A; GB1578928A; FR2352972A2

Description

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Patentanmeldung

Anmelder: FAIREY HYDRAULICS LIMITED Cranford Lane, Heston, Hounslow, Middlesex, TW5 9NQ, England

Titel: Mehrfach-Servopositionsregler

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DH. ING. F. WUESTHOFF DR. E. τ. PEOHMANN DR. ING. D. BEHRENS DIPL. ING. R. GOETZ PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN ΘΟ SCHWEIOEHSTRASSB 2 TELKPOH (088) ββΖΟΟΙ TBL.BX 5 24 070

PBOTBCTPATBITT

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Mehrfach-Servopositionsregler mit mindestens zwei Servo- oder Stelleinrichtungen, die durch ein einziges Steuerglied betätigt werden und auf eine einzige Last wirken, wobei zu jeder Stelleinrichtung ein Servoventil und ein hydraulisches Betätigungsglied gehören.

Solche Mehrfach-Positionsregler lassen sich besonders vorteilhaft bei hydraulischen Leistungsregeleinrichtungen in Flugzeugen verwenden, auf die sich die Erfindung insbesondere, Jedoch nicht ausschließlich bezieht. Zwar ist die Erfindung bei Positionsreglern in Doppel-, Dreifach- oder sonstiger Mehrfachausführung anwendbar, doch wird ihre Anwendung im .folgenden der Einfachheit halber in Verbindung mit einem Regler in Doppelausführung beschrieben. Bei einer solchen Vorrichtung mit zwei Servoeinrlchtungen gehören zu jeder Servoeinrichtung eine doppeltwirkende hydraulische Betätigungseinrichtung mit voneinander abgewandten Kolbenflächen, die einer ersten bzw. einer zweiten Zylinderkammer zugeordnet sind und auf eine Last wirken, Servoventile, welche die Verbindung zwischen jeder Zylinderkammer und einer Druckmittelquelle bzw. einem AusIaA gegensinnig steuern, sowie eine mechanische Rückkopplungsverbindung, wobei die Anordnung derart ist, daA eine Bewegung der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von einer Bewegung des zugehörigen Servoventile zu dem Bestreben führt, das Servoventil wieder in seine neutral« Stellung zu bringen.

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Zur Beherrschung der dynamischen Stabilität jeder Servoeinrichtung und zur Aufnahme plötzlicher Änderungen der Last sind Druckrückkopplungseinrichtungen vorhanden, zu denen eine erste und eine zweite Rückkopplungskammer gehören, die durch ein hydraulisches Tiefpaßfilter miteinander verbunden sind, wobei die erste Rückkopplungskammer an die erste Zylinderkammer angeschlossen ist und wobei sich in jeder Rückkopplungskammer zwei voneinander abgewandte Kolbenflächen befinden, die elastisch in Richtung auf eine neutrale Stellung vorgespannt sind und gegensinnig auf ein Ventil wirken, das so angeschlossen ist, daß ein Druckanstieg in der ersten Zylinderkammer und damit auch in der ersten RUckkopplungskammer das Ventilorgan so verstellt, daß in der ersten Zylinderkammer ein Druckabfall und/oder in der zweiten Zylinderkammer ein Druckanstieg herbeigeführt wird, während ein Druckabfall in der ersten Zylinderkammer eine entgegengesetzte Wirkung hervorruft.

Sine solche Vorrichtung ist z.B. aus der GB-PS 1 215 768 bekannt.

Eine solche Vorrichtung ist wegen der Wirkungsweise des Tiefpaßfilters für eine sich allmählich verändernde Last oder eine ruhende Last unempfindlich.

Zwar ist dies bei einer Vorrichtung in Einfachausführung ohne Bedeutung, doch führen bei einer Vorrichtung in Mehrfachausführung schon kleine Abweichungen bezüglich der Stellung der beiden Servoventile, die sich z.B. aus dem toten Gang oder thermischen Einflüssen ergeben, zu einer Beeinflussung des Betriebsverhaltens. Da kleine Bewegungen der Betätigungseinrichtung durch die betreffende andere Betätigungseinrichtung dadurch verhindert werden können, daß zwischen den Enden der letzteren Betätigungseinrichtung ein in der Gegenrichtung wirksamer Druckunterschied hervorgerufen wird, kann sich in beiden Betätigungseinrichtungen ein fortschreitend zunehmender Druckunterschied aufbauen, bis die Betätigungseinrichtungen selbst beim Fehlen irgendeiner Belastung der Kraftabgabe-

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seite erhebliche Kräfte in entgegengesetzten Richtungen erzeugen. Ein solcher Betriebszustand, den man mit einem Tauziehen vergleichen kann, beeinträchtigt nicht nur das Betriebsverhalten des Reglers, sondern er kann auch zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Servopositionsregler zu schaffen, bei dem die Gefahr des Auftretens eines solchen Betriebszustandes verringert bzw. vollständig vermieden ist.

Erfindungsgemäß werden zur Lösung dieser Aufgabe die Kolbenflächen in den beiden ZyIInderkammerη der Druckrückkopplungseinrichtungen jedes Positionsreglers verschieden groß ausgebildet, so daß eine Änderung des den beiden Rückkopplungskammern gemeinsam zügeführten Drucks bewirkt, daß der Kolben und das Ventilorgan entgegen ihrer elastischen Einspannung bewegt werden. Die Kolbenflächen können sich um bis zu 25% unterscheiden, jedoch beträgt dieser Unterschied vorzugsweise 10%.

Zu der Druckrückkopplungseinrichtung jedes Reglers kann ein von dem zugehörigen Servoventil getrenntes Ventil gehören; alternativ und vorzugsweise wirkt jedoch der Kolben der Druckrückkopplungseinrichtung auf das Servoventil gemeinsam mit dem Steuerglied über einen Differentialmechanismus, z.B. einen Hebel.

Zu dem hydraulischen Tiefpaßfilter können eine Drossel und ein Pufferraum gehören, wobei diese Teile einem elektrischen Widerstand und einem Kondensator entsprechen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert, in der ein Servopositionsregler in Doppelausführung zur Verwendung in Flugzeugen dargestellt ist.

Zu der Regleranordnung gehören zwei Servoeinrichtungen, die mit einem gemeinsamen, durch den Flugzeugführer zu betätigenden Steuerhebel gekuppelt sind; jede Servoeinrichtung weist

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eine Betätigungseinrichtung auf; die beiden Betätigungseinrichtungen sind parallelgeschaltet, sie wirken auf eine gemeinsame Last, und bei jeder Betätigungseinrichtung ist ein in einem Zylinder arbeitender doppeltwirkender Kolben vorhanden. Die diesen Kolben gemeinsam zugeordnete Kolbenstange ist an einem Ende ortsfest verankert, so daß die Ausgangsbewegung dem Zylinder erteilt wird, der die Servoeinrichtungen trägt, so daß eine Nachführwirkung bzw. eine negative Rückkopplungswirkung hervorgerufen wird.

Da beide Servoeinrichtungen von gleicher Konstruktion sind, wird im folgenden nur eine beschrieben.

Zu jeder Servoeinrichtung gehört ein Servoventil 2. in Form eines Kolbenschieberventils, das mit der gemeinsamen Steuereinrichtung verbunden ist und einen Ventilzylinder 6 aufweist, welcher mit einem an eine nicht dargestellte Hochdruckquelle angeschlossenen zentralen Einlaßkanal 8 und zwei mit einer Rückleitung verbundenen Auslaßkanälen 10 versehen ist. Mit den Enden eines Zylinders 14 der Betätigungseinrichtung sind zwei Arbeitskanäle 12 verbunden, und der Kolbenschieber 16 weist zwei Stege 18 auf, die durch einen solchen axialen Abstand getrennt sind, daß sie bei der neutralen Stellung des Kolbenschiebers die beiden Arbeitskanäle geschlossen halten.

Der Kolbenschieber 16 erfüllt die Aufgabe zweier Druckpotentialteiler, die als Basisdruck bezeichnete gleich hohe Drück· in den zugehörigen finden der Betätigungseinrichtung aufrechterhalten, wenn keine Last wirksam ist. Wird der Kolbenschieber 16 in einer Richtung verstellt, wird das eine Ende der Betätigungseinrichtung mit der Druckmittelquelle und das andere Ende mit dem betreffenden Auslaßkanal 12 verbunden, so daß der Betätigungszylinder 14 zusammen mit der gesamten Servoeinrichtung der Bewegung des Kolbenschiebers folgt, um die genannten Kanäle wieder zu schließen·

Bei dieser Anordnung hat die Betätigungseinrichtung eine praktisch unbegrenzte Steifigkeit gegenüber der Ausgangskraft,

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so daß sie sich dynamisch unstabil verhalten kann.

Um dies zu vermeiden, wurde z.B. in der eingangs genannten GB-PS vorgeschlagen, eine Druckrückkopplungseinrichtung vorzusehen, die es dem Druckmittel ermöglicht, in Abhängigkeit von auf die Betätigungseinrichtung wirkenden Kräften zu der Betätigungseinrichtung zu strömen bzw. aus ihr zu entweichen.

Gemäß der Erfindung ist die DruckrUckkopplungseinrichtung so ausgebildet, daß sie auf das Servoventil selbst wirkt, doch ist auch eine Niederfrequenzschutzeinrichtung vorhanden, die eine Betätigung der DruckrUckkopplungseinrichtung während des Beharrungszustandes verhindert, jedoch eine Betätigung unter dynamischen Bedingungen zuläßt. Gemäß der Zeichnung wirkt der Betätigungshebel 4 auf einen Punkt 19, der zwischen den Enden eines schwimmend gelagerten Hebels 20 liegt, dessen eines Ende 22 mit dem Servoventil 2 gekuppelt ist, während sein anderes Ende 24 mit einem doppeltwirkenden Kolben 26 der DruckrUckkopplungseinrichtung zusammenarbeitet. Dieser Kolben hat die Form einer Stange, deren Enden in zwei Rückkopplungskammern 28 und 30 hineinragen, wobei auf diese Enden in entgegengesetzten Richtungen Schraubenfedern 32 wirken, die bestrebt sind, den stangenförmigen Kolben zu zentrieren. Die im folgenden als erste Kammer bezeichnete Rückkopplungskammer 28 ist durch eine Druckleitung 34 mit einem im folgenden als erstes Ende bezeichneten Ende des Zylinders 14 der Betätigungseinrichtung verbunden. Die zweite Rückkopplungskammer 30 ist mit der ersten RUckkopplungskammer 28 über einen mit einer Drossel versehenen Kanal 36 verbunden und außerdem an einen als Pufferraum bezeichneten, öl enthaltenden geschlossenen Raum 38 von erheblichem Rauminhalt angeschlossen. Der mit der Drossel versehene Kanal 36 bildet zusammen mit dem Pufferraum 38 ein hydraulisches Tiefpaßfilter, das dazu dient, langsam auftretende anhaltende Druckunterschiede zwischen den beiden Rückkopplungskammern auszugleichen, ohne jedoch relativ hochfrequente Druckänderungen zu beeinflussen.

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Venn während des Betriebs eine plötzliche Belastung auf die Betätigungseinrichtung 14 aufgebracht wird, so daß sich der Druck im ersten Ende des Zylinders und daher auch in der ersten Rückkopplungskammer 28 erhöht, wird diese Drucksteigerung nicht sofort auf die zweite Rückkopplungskammer 30 übertragen, und daher wird der Druckrückkopplungskolben 26 gemäß der Zeichnung axial nach rechts bewegt, um den Kolbenschieber des Servoventils 2 zu verstellen. Die Verbindungskanäle sind so ausgebildet, daß hierdurch der Druck im ersten Ende des Zylinders 14 gesenkt und in seinem zweiten Ende erhöht wird, so daß die Betätigungseinrichtung gegenüber der plötzlich auftretenden Belastung nachgibt. Hierdurch wird hydraulische Energie verbraucht, um das System zu stabilisieren, statt es destabilisieren, wie es geschehen würde, wenn keine Druckrückkopplungseinrichtung vorhanden wäre. Ein plötzlicher Druckabfall im ersten Ende des Zylinders 14 ruft eine entgegengesetzte Wirkung hervor.

Wird dagegen eine langsam zunehmende Last auf die Betätigungseinrichtung aufgebracht, steht genügend Zeit dafür zur Verfügung, daß der allmähliche Druckanstieg im ersten Ende des Zylinders 14 sowie in der ersten Rückkopplungskammer 28 über den gedrosselten Kanal 36 auf die zweite Rückkopplungskammer 30 und den Pufferraum 38 übertragen wird, so daß die Druckrückkopplungseinrichtung für sich allmählich ändernde Lasten unempfindlich ist.

Wie erwähnt, handelt es sich bei der beschriebenen Anordnung um eine Tandemanordnung mit zwei Servoeinrichtungen der beschriebenen Art. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich ein Problem daraus,daß es wegen der Unempfindlichkeit der Druckrückkopplungseinrichtung gegenüber einer ruhenden Last oder einer langsamen Druckänderung in der ersten RUckkopplungskammer beim Vorhandensein eines geringen Phasenfehlers zwischen den Ventilen möglich ist, in den einander entsprechenden Enden der beiden Betätigungseinrichtungen sich erheblich unterscheidende Drücke zu erzeugen, wodurch das Betriebsverhalten des Reglers ebenso beeinträchtigt wird wie seine Dauerfestigkeit·

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AO

Im Hinblick hierauf ist gemäß der Erfindung die wirksame Kolbenfläche in der ersten Hückkopplungskammer 28 jeder Servoeinrichtung größer ausgebildet als die wirksame Kolbenfläche in der zweiten Rückkopplungskammer 30, z.B. um etwa 10%. Wenn der Druck in der ersten Rückkopplungskammer 28 so langsam ansteigt, daß ein im wesentlichen gleich großer Druckanstieg in der zweiten Rückkopplungskammer 30 auftritt, wird somit trotzdem eine reduzierende Kraft auf den stangenförmigen Kolben 26 ausgeübt, so daß der Kolben entgegen der Rückstellfeder 30 verstellt wird, um das Servoventil so zu verstellen, daß es bestrebt ist, den Druckunterschied zwischen den beiden Enden des Betätigungszylinders 14 zu verringern.

Bei Servoeinrichtungen der beschriebenen Art erfüllt jedes Servoventil, wie erwähnt, die Aufgabe zweier Druckpotential- und Strömungsteiler. Die axiale Breite der Steuerkanäle und der Stege des Kolbenschiebers sind so gewählt, daß jedes Servoventil zwei Druckpotentialteiler bildet, bei denen ein Verstellbereich vorhanden ist, innerhalb dessen ein Durchfluß auftritt, und der Druck in dem zugehörigen Arbeitskanal variiert fortschreitend zwischen dem Speisedruck und den Auslaßdruck. Um eine hohe Ansprechempfindlichkeit zu gewährleisten, entsprechen Breite und Abstand der Kolbenschieberstege im wesentlichen der Breite und dem Abstand der Arbeitskanäle, doch selbst dann, wenn die druckseitigen und die auslaßseitigen Kanten eines Kolbenschieberstegs einen Arbeitskanal überdecken, treten wegen des radialen Spiels zwischen dem Kolbenschieber und dem Zylinder bei den hohen Betriebsdrücken, die einem Mehrfachen von 70 bar entsprechen, Leckverluste auf. Die Abstände zwischen den Kanälen und den Stegen sind so gewählt, daß sich die Drücke in den beiden Arbeitskanälen 12 ausgleichen, wenn jeder dieser Drücke einem als Basisdruck bezeichneten Sollwert entspricht, der zweckmäßig in der Mitte zwischen dem Speisedruck und dem Auslaßdruck liegen kann.

Eine solche Servoeinrichtung, die z.B. zur Betätigung eines Flugzeugruders dient, ist so ausgebildet, daß sie eine hohe

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Empfindlichkeit besitzt und z.B. auf Bewegungen von weniger als etwa 0,025 mm anspricht; daher kann das Betriebsverhalten schon durch sehr kleine Veränderungen bei der Betätigungseinrichtung beeinflußt werden, z.B. durch eine Wärmedehnung bei Temperaturänderungen, die bei Lagern vorhandenen Toleranzen und dergleichen.

Bei einer Doppel- oder Mehrfachanlage setzt jede Einzeleinrichtung jeder Bewegung aufgrund eines nicht abgeglichenen Drucks in der betreffenden anderen Einrichtung einen Widerstand entgegen, so daß nicht etwa die Drücke in den Enden jeder Betätigungseinrichtung ausgeglichen werden, sondern daß sich in einem Ende der einen Betätigungseinrichtung und im entgegengesetzten Ende der anderen Betätigungseinrichtung ein hoher Druck aufbaut, während in den übrigen Enden ein niedriger Druck vorhanden ist, wobei die beiden Betätigungseinrichtungen gleich große resultierende Kräfte in entgegengesetzten Richtungen ausüben. Wie erwähnt, wird hierdurch das Betriebsverhalten des Reglers ebenso beeinträchtigt wie seine Dauerfestigkeit.

Diese Erscheinung läßt sich auf sehr einfache Weise ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile bekämpfen oder ausschalten, indem man die Rückkopplungskolben jeder Servoeinrichtung mit verschieden großen Querschnitten versieht. Wenn z.B. der Querschnitt des einen Kolbens um 10% größer ist als derjenige des anderen Kolbens, gibt es eine neutrale Stellung, bei der die durch die Federn auf die Kolben der Rückkopplungseinrichtung ausgeübte resultierende Kraft durch das Aufbringen des gewünschten Basisdrucks auf ein Zehntel des Querschnitts des Rückkopplungskolbens ausgeglichen wird. Das System stellt sich selbst so ein, daß beide Servoeinrichtungen gleichzeitig diese Bedingung erfüllende Stellungen einnehmen. Wenn diese Abgleichstellung danach gestört wird, reagieren die Kolben der Ruckkopplungseinrichtungen derart, daß jeder zwischen entsprechenden Enden der beiden Betätigungseinrichtungen vorhandene Druckunterschied in einem erheblichen Ausmaß verringert wird.

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Wenn sich die Betätigungseinrichtung so verstellen sollte, daß das eine Servoventil eine Stellung einnimmt, bei der in der zugehörigen Betätigungseinrichtung ein höherer Druck um Sinne des Ausfahrens vorhanden ist, während das andere Servoventil um eine kleine Strecke von z.B. einem Mehrfachen von 0,025 mm gegenüber einer entsprechenden Stellung verstellt wird, um einen höheren Druck in der Einfahrrichtung zur Wirkung zu bringen, bewirken die Rückkopplungskolben, daß die entsprechenden Servoventil-Kolbenschieber in entgegengesetzten Richtungen verstellt werden, um den Druckunterschied erheblich zu verringern bzw. ihn praktisch zu beseitigen. Auf diese Weise wird eine weitgehende Verringerung der Kraft herbeigeführt, mit der die beiden Betätigungseinrichtungen einander nach Art des Tauziehens entgegenwirken.

Wird eine ruhende Last auf die beiden Betätigungseinrichtungen aufgebracht, sind die Servoventile bestrebt, den der Last innerhalb der Betätigungseinrichtungen entgegenwirkenden Differenzdruck auf Werte zu verringern, die niedriger sind, als die Werte, welche bei dem genannten Regler bekannter Art bei einer gegebenen Verlagerung der Betätigungseinrichtung auftreten. Somit wird eine gegebene ruhende Last die Betätigungseinrichtung weiter verlagern, als es bei dem bekannten Regler geschieht. Im Vergleich mit der Verbesserung des Betriebsverhaltens infolge der Beseitigung des beschriebenen Tauziehens zwischen den beiden Betätigungseinrichtungen kommt jedoch diesem geringen Verlust an statischer Steifigkeit nur eine geringe Bedeutung zu.

Ferner führt die beschriebene Synchronisationsvirkung der Druckrückkopplungsbewegungen zu einer Verbesserung des Betriebsverhaltens der Doppelbetätigungseinrichtung bei kleinen Amplituden, das bei dem bekannten Regler durch Phasenfehler beeinträchtigt wird, welche auf unterschiedliche Stellungen der Servoventile zurückzuführen sind.

Die Erfindung ist auch bei Reglern in Dreifachausführung oder sonstigen Mehrfachausführungen anwendbar, wobei die Anordnung

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zu der vorstehend beschriebenen analog ist, jedoch einen oder mehrere zusätzliche Einzelregler aufweist.

Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

IJ Servovorrichtung mit mindestens zwei durch ein einziges Stellglied betätigbaren Servoeinrichtungen zum Zusammenarbeiten mit einer einzigen Last, wobei zu jeder Servoeinrichtung eine hydraulische Betätigungseinrichtung gehört, bei der voneinander abgewandte Kolbenflächen in einer ersten Zylinderkammer bzw. einer zweiten ZyIInderkammer angeordnet sind, ferner ein Servoventil zum Steuern der Verbindung zwischen jeder ZyIInderkammer und einer Druckmittelquelle bzw· einem Auslaß in entgegengesetzten Richtungen, eine mechanische RUckkopplungsverbindung, die so ausgebildet ist, daß eine Bewegung der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von der Bewegung des Servoventils zu dem Bestreben führt, das Servoventil wieder in seine neutrale Stellung zu bringen, sowie eine Druckrückkopplungseinrichtung mit einer ersten Rückkopplungskammer und einer zweiten Rückkopplungskammer, die über ein hydraulisches Tiefpaßfilter in Verbindung miteinander stehen, wobei die erste Rückkopplungskammer mit der ersten Zylinderkammer verbunden ist, sowie mit voneinander abgewandten Kolbenflächen, die in den beiden Rückkopplungskammern angeordnet und elastisch in Richtung auf eine neutrale Stellung vorgespannt sind, wobei sie gegensinnig auf ein Ventil wirken, das so angeschlossen ist, daß ein Druckanstieg in der ersten Zylinderkammer und damit auch in der ersten Rückkopplungskammer das Ventil veranlaßt, sich so zu bewegen, daß in der ersten Zylinderkammer ein Druckabfall und/oder in der zweiten Zylinderkammer eine Drucksteigerung stattfindet, während eine Drucksenkung in der ersten Zylinderkammer die entgegengesetzte Wirkung hervorruft, dadurch

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ORIGINAL INSPECTED

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gekennzeichnet , daß sich die Querschnitte der Kolben (26) in den beiden Rückkopplungskammern (28, 30) voneinander unterscheiden.
2. Servovorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stirnflächen der Kolben (26) Jeder Druckrückkopplungseinrichtung um bis zu 25% unterscheiden.
3. Servovorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stirnflächen der Kolben (26) jeder Druckrückkopplungseinrichtung um 10% unterscheiden.
4. Servovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Kolben (26) jeder Druckrückkopplungseinrichtung entweder über eine Differentialeinrichtung, z.B. einen Hebel (20), oder direkt gemeinsam mit dem Stellglied (4) auf das Servoventil (2) wirken.
5. Servovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem hydraulischen Filter eine Drossel und ein Pufferraum (38) gehören.
6. Servovorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtungen zu einer Hehrfach-Betätigungseinrichtung (14) mit einen gemeinsamen Kraftabgabeende vereinigt sind.
7. Servovorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich« net, daß eine den Betätigungseinrichtungen gemeinsam zugeordnete Kolbenstange vorhanden ist, die sich ortsfest verankern läßt, und daß die Vorrichtung zusammen mit der Betätigungseinrichtung (14) bewegbar ist.

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