DE3030173C2

DE3030173C2 -

Info

Publication number: DE3030173C2
Application number: DE19803030173
Authority: DE
Inventors: Charles F. Longmeadow Mass. Us Stearns
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1992-05-27
Also published as: SE445663B; JPH025921B2; IL60794A0; GB2058408B; US4359929A; GB2058408A; CA1146446A; SE8005900L; FR2463950A1; IT8024210A0; IT1132430B; DE3030173A1; FR2463950B1; JPS5631502A; IL60794A

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikservosystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Ein übliches Hydraulikservosystem fühlt eine Bewegung ab, um den Durchfluß eines Fluids durch ein Ventil zu regeln, welche den Hydraulikdruck auf einer Seite eines Kolbens regelt, der mit dem Ventil durch eine Feder verbunden ist. Der Kolben bewegt sich auf ein Fehlersignal hin, welches durch die abgefühlte Bewegung erzeugt wird, und veranlaßt das Ventil, in einer Kolbengleichgewichtsposition zu schließen und eine Nullstellung einzunehmen.

In einem idealen, völlig reibungsfreien Hydraulikservosystem beginnt der Kolben, sobald das Ventil etwas öffnet, sich zu bewegen, um das Ventil wieder in die Nullstellung zu bringen. Da aber immer Reibung vorhanden ist, ist es erforderlich, daß das Ventil genug öffnet, damit der Kolben Kraft zum Überwinden der Reibung entwickelt. Das Ventil und eine es mit der abgefühlten Bewegung verbindende Vorrichtung sollten für eine gute Servostabilität ein positives Verhältnis zwischen der Kraft zum Öffnen des Ventils und dessen Ventilöffnung haben. Zum Schaffen einer zusätzlichen Ventilöffnung auf die abgefühlte Bewegung hin, um die Reibung zu überwinden, muß aber ein negatives Verhältnis eingeführt, d. h. Überschwingen, erzeugt werden, obgleich das Gesamtverhältnis weiterhin positiv sein muß.

Ein Hydraulikservosystem der im Oberbegriff des Patent anspruchs angegebenen Art ist aus der US 37 57 639 bekannt. Es weist ein Klappenventil mit positivem Verhältnis auf (die Ventilklappe wird vom Fluiddruck in Offenstellung gedrängt) zur Veränderung des Hydraulikdruckes auf einer Seite des Kolbens. Der Fluiddruck auf dieser Seite des Kolbens wird auch einem Federbalg zugeführt, der eine Kraft auf einen Stellhebel ausübt, welche den Einfluß dieses Klappenventils verstärkt. Wird z. B. dieses Klappenventil weiter verschlossen, so steigt der Druck in einer Kammer auf einer Seite des Stellkolbens an. Demgemäß steigt auch der Druck in dem Federbalg an, so daß eine noch höhere Schließkraft auf dieses Klappenventil ausgeübt wird. Wenn dagegen das Klappenventil über den Stellhebel weiter geöffnet wird, sinkt der Druck in dem Federbalg, der somit einer Schwenkbewegung des Stellhebels im Gegenuhrzeigersinn einen geringeren Widerstand entgegensetzt. In beiden Fällen wird eine überschwingende Veränderung des Hydraulikdruckes in der Kammer des Kolbens erreicht, aufgrund welcher der Reibungswiderstand überwunden und die Bewegung des Kolbens eingeleitet wird. Der Federbalg hat dabei einen Einfluß mit negativem Verhältnis auf das Klappenventil mit positivem Verhältnis in der Hinsicht, daß die von dem Federbalg ausgeübte Kraft mit zunehmender Strömung durch das Klappenventil abnimmt oder mit abnehmender Strömung durch das Klappenventil zunimmt. Um das erforderliche Überschwingen des Eingangssignals zu erreichen, ist bei dem bekannten Hydraulikservosystem als Vorrichtung mit positivem Verhältnis der Federbalg vorgesehen. Federbälge sind im Betrieb aber nicht sehr zuverlässig, und es können sich Leckverluste einstellen, wodurch die beabsichtigte Wirkung dann nicht erzielt wird. Beschädigte Federbälge müssen demgemäß ausgetauscht werden, d. h. ein Hydraulikservosystem mit einem Federbalg ist wartungs intensiver und weniger zuverlässig im Betrieb.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hydraulikservosystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art so auszubilden, daß sich das zur Überwindung des Reibungswiderstandes des Kolbens erforderliche Überschwingen des Eingangssignals ohne Zuhilfenahme eines Federbalgs erreichen läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei dem Hydraulikservosystem nach der Erfindung ist das erste Klappenventil, welches den Druck auf einer Seite des Kolbens steuert, ein Klappenventil mit negativem Verhältnis zwischen der Kraft zum Öffnen des Klappenventils und der Ventilöffnung, das so angeordnet ist, daß der die Ventilklappe beaufschlagende Fluiddruck diese in Richtung ihrer Schließstellung drückt. Das erste Klappenventil mit negativem Verhältnis gewährleistet ohne das Vorsehen eines Federbalgs das erwünschte Überschwingen des Eingangssignals, um eine erhöhte Druckänderung auf einer Seite des Kolbens einzuleiten. Dieses Klappenventil ist im Betrieb instabil und hat bei einer Bewegung aus der Nullstellung in der einen oder anderen Richtung das Bestreben, sich über die gewünschte Position hinauszubewegen. Wenn das Klappenventil mit negativem Verhältnis in Richtung seiner geschlossenen Stellung bewegt wird, schnappt es leicht zu, wogegen es bei einer Bewegung in der anderen Richtung leicht in die Offenstellung schnappt. Auf diese Weise wird das erwünschte negative Verhältnis in dem Hydraulikservosystem erreicht. Wegen der Instabilität des Klappenventils mit negativem Verhältnis ist in dem Hydraulikservosystem nach der Erfindung ein zweites Klappenventil mit positivem Verhältnis vorgesehen, dessen Ventilklappe durch Fluiddruck in die Offenstellung gedrückt wird, wodurch ein insgesamt positives Verhalten des Hydraulikservosystems und damit die Stabilität desselben gewährleistet ist. Es ist dabei wesentlich, daß bei dem Hydraulikservosystem nach der Erfindung das Klappenventil mit positivem Verhältnis so angeordnet ist, daß bei einer Verringerung der Fluidströmung durch das Klappenventil mit negativem Verhältnis auch die Fluidströmung durch das Klappenventil mit positivem Verhältnis verringert wird und daß bei einer Erhöhung der Fluidströmung durch das Klappenventil mit negativem Verhältnis auch die Fluidströmung durch das Klappenventil mit positivem Verhältnis erhöht wird. Dadurch wird gewährleistet, daß bei einer Bewegung des Stellhebels im Uhrzeigersinn, d. h. bei einer Schließbewegung des Klappenventils mit negativem Verhältnis durch das Klappenventil mit positivem Verhältnis eine höhere Kraft auf den Stellhebel ausgeübt wird, um zu vermeiden, daß das Klappenventil mit negativem Verhältnis das Eingangssignal zu stark überschwingt, wogegen bei einer weiteren Öffnung des Klappenventils mit negativem Verhältnis die durch das Klappenventil mit positivem Verhältnis auf den Stellhebel ausgeübte Kraft herabgesetzt wird, damit diese das Öffnen des Klappenventils mit negativem Verhältnis nicht weiter unterstützt. In dem Hydraulikservosystem nach der Erfindung sind sehr kleine Kräfte im Bereich der Nullstellung des Stellhebels erforderlich, wodurch sich eine extreme Genauigkeit ergibt. Andererseits hat es ein hohes positives Verhältnis, wodurch es extrem stabil arbeitet. Das Hydraulikservosystem nach der Erfindung mit ein positives bzw. negatives Verhältnis aufweisenden Klappenventilen ist extrem zuverlässig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Hydraulikservosystems und

Fig. 2 ein Diagramm, das die Kurve des mechanischen Verhältnisses für das Hydraulikservosystem und die in diesem benutzten Klappenventile mit positivem bzw. negativem Verhältnis zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Hydrauliksystem 10, in welchem ein Kolben 12 auf Pneumatikfluiddruck an einem Fluideinlaß 14 hin verschoben wird. Hydraulikfluid wird unter Druck über einen Einlaß 16 einer Kammer 17 zugeführt, die an eine Seite 18 des Kolbens 12 angrenzt. Der Flächeninhalt der Seite 18 ist halb so groß wie der Flächeninhalt der zu ihr entgegengesetzten Seite 20, die in einer Kammer 19 angeordnet ist, welche das Hydraulikfluid über eine feste Drosselöffnung 22 empfängt. Fluid fließt von der Drosselöffnung 22 über eine Leitung 24 zu einem ein negatives Verhältnis aufweisenden Klappenventil 26, dessen Öffnung auf die Bewegung eines Stellhebels 28 hin verändert wird, der mit der Ventilklappe 29 in dem Klappenventil 26 verbunden ist. Hydraulikfluid fließt von der Hochdruckseite 30 der Drosselöffnung 22 durch eine weitere Drosselöffnung 32 zu einem ein positives Verhältnis aufweisenden Klappenventil 34, dessen Öffnung ebenfalls auf die Bewegung des Stellhebels 28 hin verändert wird, welcher mit der Ventilklappe 35 in dem Klappenventil 34 verbunden ist. Eine Feder 36 bildet eine mechanische Verbindung zwischen dem Kolben 12 und dem Stellhebel 28. Der abgefühlte Druck an dem Fluideinlaß 14 wird einem Federbalg 38 zugeführt, der auf den Stellhebel 28 drückt, so daß der Stellhebel 28 im Gegenuhrzeigersinn bewegt wird, wenn der Druck zunimmt, und im Uhrzeigersinn, wenn der Druck abnimmt.

Der Kolben 12 ist im Gleichgewicht, wenn der auf die Seite 20 ausgeübte Druck gleich der Hälfte des Druckes ist, der auf die Seite 18 ausgeübt wird. Das ist der Fall, wenn es einen spezifischen Gleichgewichtsdurchfluß durch die Drosselöffnung 22 gibt. Dieser Durchfluß wird durch die Öffnung des ein negatives Verhältnis aufweisenden Klappenventils 26 festgelegt, und er erzeugt Druck an dem Klappenventil 26, welches den Stellhebel 28 im Uhrzeigersinn drückt. Fluid fließt durch die Drosselöffnung 32 zu dem ein positives Verhältnis aufweisenden Klappenventil 34, welches dadurch eine Kraft im Gegenuhrzeigersinn auf den Stellhebel 28 ausübt. Wenn der Stellhebel 28 eine Nullstellung einnimmt, ist das Hydraulikservosystem 10 in Ruhe oder im Gleichgewicht, und die Kräfte, die von den Klappenventilen 26, 34 her auf den Stellhebel 28 einwirken, wirken einander entgegen und beseitigen somit jegliche Vorspannung an dem Stellhebel 28 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn als Ergebnis von Druckänderungen, die dem dem Einlaß 16 zugeführten Fluid zugeordnet sind.

Wenn der Federbalg 38 nach oben gedrückt wird, öffnet er das Klappenventil 26 und bewirkt einen stärkeren Durchfluß durch die Drosselöffnung 22, der den Druck auf der Seite 20 des Kolbens 12 verringert und somit bewirkt, daß sich der Kolben 20 in einer Richtung 39 nach links bewegt. Die Aufwärtsbewegung des Federbalges 38 öffnet außerdem das Klappenventil 34 und bewirkt einen stärkeren Durchfluß durch die Drosselöffnung 32, wodurch die Kraft verringert wird, die von dem Klappenventil 34 auf den Stellhebel 28 ausgeübt wird.

Wie die Kurve 40 in Fig. 2 zeigt, nimmt, wenn das Klappenventil 26 öffnet, die Kraft, die erforderlich ist, um es zu öffnen, ab, bis sie einen konstanten Wert erreicht, welcher dem Fluiddruck entspricht, der erforderlich ist, um die Reibung an dem Kolben 12 zu überwinden. Wenn der Kolben 12 begonnen hat sich zu bewegen (d. h. nachdem die Reibung überwunden ist), wird also der Druck in der Leitung 24 konstant sein; dieses Ansprechverhalten führt zu der negativen Steigung, die der Kraft zugeordnet ist, welche zum Öffnen und Schließen des Klappenventils 26 erforderlich ist, wenn der Stellhebel 28 in seiner Nullstellung ist, welches die Stellung ist, in der das Hydraulikservosystem 10 in Ruhe ist. Die negative Steigung zwischen den beiden konstanten Punkten spiegelt die Tatsache wider, daß sich die Kraft, die zum Öffnen des Klappenventils 26 benötigt wird, in umgekehrten Verhältnis zu der Venilöffnung ändert. Das führt zu einem Fluiddruck, der auf die Ventilklappe 29 so einwirkt, daß sie in ihre Schließstellung gedrückt wird; unmittelbar bevor sie vollständig schließt, ist die Kraft am größten. Wie die Kurve 42 zeigt, arbeitet das Klappenventil 34 andererseits in exakt umgekehrter Weise, da der Fluiddruck bestrebt ist, die Ventilklappe 35 wegzudrücken; infolgedessen hat sie eine positive Steigung, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Da das Klappenventil 34 Fluid von der Versorgungsdruckseite des Hydraulikservosystems über die Drosselöffnung 32 empfängt, hat es außerdem keine konstante Kraftgrenze. Der Federbalg 38 und die Feder 36 ergeben positive Verläufe der mechanischen Kräfte, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Der Gesamtkraftverlauf für den Stellhebel 28 ist deshalb die Summe dieser Kraftverläufe und als Kurve 44 dargestellt, die ein Gebiet 46 hat, in dem die Gesamtkraft Null ist; in dem Gebiet 46 ist keine Kraft erforderlich, um die Klappenventile 26, 34 zu öffnen oder zu schließen.

Die Kurve 44 hat ein hohes positives Verhältnis, obgleich innerhalb des Gebietes 46 mit der Kraft Null das Klappenventil 26 die negative Steigung aufweist, die dem Hydraulikservosystem 10 gestattet, die Reibung zu überwinden. Das bedeutet, daß, wenn der Federbalg 38 nach oben oder nach unten gedrückt wird, sich der Stellhebel 28 drehen wird, bis der Druck auf dem Klappenventil 26 konstant ist, was der Fall ist, nachdem die Kolbenreibung überwunden ist; anschließend daran bewegt sich der Kolben 12.

Claims

Hydraulikservosystem mit einem durch Fluiddruck bewegbaren Kolben (12), wobei zur Steuerung des Fluiddruckes auf einer Seite des Kolbens (12) eine Vorrichtung mit positivem Verhältnis und eine Vorrichtung mit negativem Verhältnis vorgesehen sind, von denen eine als ein erstes Klappenventil (26) ausgebildet ist, und mit einem schwenkbar gelagerten Stellhebel (28), der auf ein Eingangssignal hin zur Einstellung der Vorrichtungen schwenkbar ist, wobei der Kolben (12) über eine Feder (36) mit dem Stellhebel (28) zur Stellungsrückführung wirksam gekoppelt ist und wobei die Vorrichtungen zur Erzielung eines das Eingangssignal überschwingenden Öffnens des ersten Klappenventils (26) ausgelegt sind zur Erzeugung einer den Reibungswiderstand des Kolbens (12) überwindenden Änderung des Fluiddruckes, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Klappenventil (26) ein negatives Verhältnis zwischen der Kraft zum Öffnen des ersten Klappenventils (26) und dessen Ventilöffnung aufweist und so angeordnet ist, daß der die Ventilklappe (29) des ersten Klappenventils (26) beaufschlagende Fluiddruck diese in Richtung ihrer Schließstellung drückt, daß die andere Vorrichtung als ein zweites, an eine Druckfluidquelle angeschlossenes Klappenventil (34) ausgebildet ist, welches ein positives Verhältnis zwischen der Kraft zum Öffnen des zweiten Klappenventils (34) und dessen Ventilöffnung aufweist und dessen Ventilklappe (35) durch Fluiddruck in Richtung ihrer Offenstellung beaufschlagt ist, und daß beide Klappenventile (26, 34) so miteinander verbunden sind, daß bei einer Schwenkbewegung des Stellhebels (28) zwecks Erhöhung der Fluidströmung durch eines der beiden Klappenventile (26, 34) die Fluidströmung durch das andere Klappenventil ebenfalls zunimmt.