DE3210603A1

DE3210603A1 - Drucksteuerorgan

Info

Publication number: DE3210603A1
Application number: DE19823210603
Authority: DE
Inventors: Akio Yokohama Kanagawa Mito; Kentaro Tokyo Tanaka
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1981-03-23
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1982-10-07
Also published as: US4428398A; DE3210603C2; GB2095372B; GB2095372A; JPS57157872A

Description

Drucksteuerorgan

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Die Erfindung betrifft ein Drucksteuerorgan und insbesondere ein Drucksteuerorgan mit einem Absperrorgan und einer Feder als Stellkraft-Wandelelement und einer Antriebseinrichtung zum Zusammendrücken der Feder.

Ein bekanntes Drucksteuerorgan weist eine drehbare Vierkantschraube auf, die in einem Hohlraum des Gehäuses des Drucksteuerorganes eingeschraubt ist und mittels eines Schrittmotors vor- oder zurückbewegt werden kann, wodurch der Druck einer auf ein Absperrorgan wirkenden Feder erhöht oder vermindert werden kann, wodurch wiederum ein Entlastungsdruck gesteuert wird.

Da die Feder in einem derartigen bekannten Drucksteuerorgan durch eine vom Stellmotor erzeugte schrittweise Drehung der Schraube fortschreitend zusammengedrückt wird, baut sich entsprechend der elastischen Verformung der Feder eine Reaktionskraft auf, die als Lastmoment auf den Schrittmotor wirkt. Daher macht eine starke Zusammendrückung der Feder einen hohen Energieeintrag zur Betätigung des Drucksteuerorgans nötig. Wenn beispielsweise ein Stellmotor als

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ι Antriebseinrichtung gewählt wird, muß dieser ein großes Leistungsvermögen aufweisen; andernfalls wäre eine Betätigung des Drucksteuerorgans mit hoher Geschwindigkeit unmöglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Drucksteuerorgan

der im Ob.erbegriff des Anspruchs 1 umrissenen Gattung zu schaffen, das nur einen geringen Energieeintrag zur Betätigung benötigt und dabei trotzdem für eine Betäti-1ß gung mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist, selbst wenn nur ein kleiner Stellmotor verwendet wird, insbesondere wenn der Stellmotor als Antriebseinrichtung vorgesehen ist.

-ic Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß eine Stützkraft auf die Antriebseinrichtung ausgeübt wird, die entgegen der Richtung der Reaktionskraft gerichtet ist, die aufgrund der Zusammendrückung der Feder auf die Antriebseinrichtung wirkt, wobei die Größe der

on StUtzkraft der Größe der Reaktionskraft entspricht.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines bekannten Drucksteuerorgans ,

Fig. 2 einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans,

Fig. 3 eine Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 2 aus Richtung der Pfeile A-A in Fig. 2,

Fig. 4 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans,

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Ι Fig. 5 eine 'Schnittdarstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 4 entlang der Linie D-D in Fig. 4,

Fig. 6 einen Teilschnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans,

Fig. 7 eine Fig. 5 entsprechende Darstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 6 entlang der Linie F-F in Fig. 6, und'
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Fig. 8 eine Darstellung des charakteristischen Kurvenverlaufes des durch die Stellkraft hervorgerufenen Lastmomentes.

Zur Veranschaulichung der Unterschiede zwischen einem bekannten Drucksteuerorgan und der drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans ist in Fig. ein bekanntes Drucksteuerorgan dargestellt, das eine Vierkantschraube 2 aufweist, die in einen Hohlraum eines Gehäuses 1 des Drucksteuerorgans eingeschraubt ist und mittels eines Stellmotors 3 vorwärts und rückwärts bewegt werden kann. Durch diese Bewegung kann der Druck einer zwischen der Vierkantschraube 2 und einem als Ventil 4 ausgebildeten Absperrorgan angeordneten Schraube 5 auf das Ventil 4 erhöht oder vermindert werden, wodurch ein Entlastungsdruck gesteuert werden kann.

Da die Feder 5 eines solchen bekannten Drucksteuerorgans durch schrittweise Drehung der Vierkantschraube 2 mittels des Stellmotors 3 fortschreitend zusammengedrückt wird, wird eine Reaktionskraft aufgrund der elastischen Verformung der Feder 5 aufgebaut, die als Lastmoment auf den Stellmotor 3 wirkt. Daher erfordert eine starke Zusammendrückung der Feder 5 einen großen Energieeintrag zur Betätigung des Drucksteuerorgans. Ist als Antriebseinrichtung beispielsweise ein Stellmotor 3 vorgesehen, muß dieser eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen; andernfalls ist eine Betriebsweise des Drucksteuer-

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organs mit hoher Geschwindigkeit nicht möglich.

Gemäß Fig. 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans dargestellt, das ein Absperrorgan 10, eine Feder 11 als Stellkraft-Umwandelelement zum Andrücken des Absperrorgans 10 und eine Antriebseinrichtung 12 für die Zusammendrückung der Feder 11 aufweist. Zusätzlich ist eine Einrichtung 13 zur Erzeugung einer Stützkraft vorgesehen, die entgegen der Richtung die auf die Antriebseinrichtung 12 wirkenden Reaktionskraft der zusammengedrückten Feder gerichtet ist und die eine der Größe der Reaktionskraft entsprechende Größe hat, so daß die Stützkraft auf die Einrichtung 12 ausgeübt werden kann.

Bei dieser Ausführungsform ist das als Ventil ausgebildete Absperrorgan 10 in einem Durchgang oder Hohlraum angeordnet, der in einem Gehäuse 14 des Drucksteuerorgans angeordnet ist. Weiterhin ist eine Schubstangegleitbar in dem Gehäuse 14 gelagert und die Feder 11 ist zwischen dem Absperrorgan 10 und der Schubstange 15 angeordnet, deren Spitze mit der Antriebseinrichtung 12 in Verbindung steht. Die Antriebseinrichtung 12 weist einen drehwinkelgesteuerten Motor, wie beispielsweise einen Schrittmotor 16 als Drehantriebseinrichtung, eine drehende Welle 17 des Schrittmotors 16, ein auf der Welle 17 fest angeordnetes Zahnrad 18, ein weiteres mit dem Zahnrad 18 in Eingriff stehendes Zahnrad 19 und ein Gewindeteil, z.B. eine Kugelgewindestange 20, auf, die an dem Zahnrad 19 festgelegt ist, wobei die Kugelgewindestange 20 mit einer Kehle im Hohlraum des Gehäuses 14 des Drucksteuerorgans schraubbar verbunden ist und das Ende der Schubstange 15 drehbar lagert.

^5 Die Einrichtung 13 zub Erzeugung der Stützkraft weist ein Zahnrad 21 auf, das mit dem Zahnrad 18 in Eingriff steht. Weiterhin weist die Einrichtung 13 eine drehende Welle 22, die das Zahnrad 21 lagert und die ihrerseits

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im Gehäuse 14 des Drucksteuerorgans gelagert ist, einen Nocken 23, der fest auf der Welle 22 angeordnet ist, und eine Druckeinrichtung zum Drücken des Nockens 23 auf, um diesen mit einer Drehkraft zu beaufschlagen. Die Druckeinrichtung weist einen Arm 26 auf, der schwenkbar an einer gehäusefesten Lagerstelle 24 angelenkt ist und an seinem vorderen Ende eine Rolle 25 aufweist, die mit dem Nocken 23 in Verbindung steht. Weiterhin weist die Druckeinrichtung ein elastisches Element, wie beispielsweise eine Feder 27, zur Federbelastung des Armes 26 auf den Nocken und eine Konsole 28 zur Lagerung der Feder 27 auf.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans erläutert. Wenn sich der Schrittmotor 16 zuerst in seiner Ausgangsstellung gemäß Fig. 2 befindet, ist der Betrag der Zusammendrückung der Feder 11 gleich Null und daher die Größe der auf den Schrittmotor 16 von der Feder ausgeübten Reaktionskraft ebenfalls Null. Der Nocken der Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft befindet sich in dem in Fig. 3 mit ausgezogenen Linien dargestellten Zustand, wobei er die Rolle 25 des Armes 26 an der mit 30 bezeichneten Stelle berührt. Die Oberfläche des Nockens 23 weist einen Umriß mit einem derartigen Krümmungsradius auf, daß die Normale auf den Krümmungsradius des Nockens 23 im Berührungspunkt 30 durch den Mittelpunkt des Querschnittes der drehenden Welle 22 verläuft. Der Umriß des Nockens 23 ermöglicht einer Druckkraft F des Armes 26 auf den Nocken 23 in Richtung der Normalen zu wirken, wobei keine Kraft erzeugt wird, die den Nocken 23 dreht. Damit ist der Betrag der Stützkraft Null.

Wird der Schrittmotor 16 nun für eine Drehung im Uhrzeigersinn angetrieben, um die mit einem Linksgewinde versehenen Kugelgewindestange 20 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles B nach vorne zu bewegen, wodurch

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die Schubstange 15 die Feder 11 auf einen maximalen Auslenkungswert zusammendrückt, beginnt die Reaktionskraft der Feder 11 in Richtung des mit C bezeichneten Pfeiles auf die Schubstange 15 zu wirken, mit der Folge, daß ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes Belastungsmoment auf den Stellmotor 16 wirkt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Nocken 23 in der mit strichpunktierten Linien dargestellten Stellung gemäß Fig. 3, wobei er die Rolle 25' bei 30' berührt. Daher entsteht beim Errichten der Normale auf den Krümmungsradius im Berührungspunkt 30' ein gewisser Abstand 1 zur drehenden Welle 22, so daß der Arm 26 ein Drehmoment F'xl auf den Nocken 23' ausüben kann. Dieses Drehmoment wirkt seinerseits als im Uhrzeigersinn wirkendes Moment oder als Stützkraft auf den Schrittmotor 16. Durch passende Wahl des Krümmungsradius des Nockens 23, der Relativstellung des Nockens 23 und des Armes 26, der Federkraft oder Elastizität der Feder 27 usw. ist es möglich, eine Stützkraft zu erzeugen, die äquivalent zur durch die Zusammendrückung der Feder 11 erzeugten Reaktionskraft ist, wodurch das auf den Schrittmotor 16 wirkende Lastmoment auf Null reduzierbar ist.

Ebenso ist es möglich, bei der Stellbewegung des Stell- *3 motors 16 von der Ausgangsstellung in die maximal ausgelenkte Stellung durch Verwendung eines Nockens mit entsprechendem Krümmungsradius, beispielsweise mit einem sich allmählich ändernden Krümmungsradius, eine Stützkraft zu erzeugen, deren Größe gleich derjenigen der

^ou Reaktionskraft der Feder 11 in jeder möglichen Stellung ist, so daß das Belastungsmoment auf den Schrittmotor stets Null ist.

Da die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft erfindungsgemäß einen Nocken 23, der sich gemäß der Eingangsauslenkung der Antriebseinrichtung, wie beispielsweise dem Betrag der Zusammendrückung der Feder 11, dreht und eine Druckeinrichtung zur Erzeugung eines den Nocken

ί drehenden Drehmomentes aufweist, das sich bei drehendem Nocken 23 ändert, sind die Reaktionskraft der Feder 11 und die Stiitzkraft beide proportional zur Eingangsauslenkung, so daß sich beide gegeneinander aufheben.

In den Fig. 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans dargestellt. Die bei dieser Ausführungsform gewählte Anordnung der Antriebseinrichtung 12 macht die Verwendung der Kugelig gewindestange der Ausführungsform gemäß Fig. 2 überflüssig. Die Antriebseinrichtung 12 lenkt die Schubstange 15 mittels einer Drehscheibe 40 direkt aus, wobei die Drehscheibe 40 fest und außermittig auf der Welle 17 des Schrittmotors 16 angeordnet ist und wobei die c Drehscheibe 40 mit einem um sie herum angeordneten Lager 41 versehen ist. Die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft weist den Nocken 23 auf, der direkt auf der Welle 17 des Schrittmotors 16 befestigt, ist. Alle übrigen Teile sind in einer der Ausführungsform nn gemäß den Fig. 2 und 3 entsprechenden Art und Weise angeordnet und vorgesehen. Wird nun die Drehscheibe 40 in der durch den Pfeil E angezeigten Richtung gedreht, um die Feder 11 mittels der Schubstange 15 zusammenzudrücken, beginnt die Reaktionskraft der Feder 11 ent- nc gegen der Richtung des Pfeiles E auf den Schrittmotor zu wirken, während die durch den Arm 26 ausgeübte Rückstellkraft in Richtung des Pfeiles E wirkt. Auch bei dieser Ausführungsform verläuft die Wirkungslinie der Kraft F, die von dem Arm 26 ausgeübt wird, durch den Mittel— 3Q punkt der Welle 17, so daß die Rückstellkraft den Betrag Null hat, wenn der Schrittmotor 16 noch nicht arbeitet bzw. die von ihm angetriebenen Teile sich in ihrer durch die stark ausgezogenen Linien verdeutlichten Ausgangslage befinden. Die Stutzkraft wächst proportional zur Reaktionskraft der Feder 11 bei der Drehung des Nockens 23 so lange an, bis der Punkt der maximalen Auslenkung erreicht ist, wie er mittels der strichpunktierten Linien verdeutlicht ist. Wie auch bei der

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β-

ι AusfUhrungsform gemäß Fig. 2 hat das Lastmoment auf den Schrittmotor 16 zu jeder Zeit den Betrag Null. Zur Festlegung der Ausgangslage und des Punktes der maximalen Auslenkung sind Anschläge 42 bzw. 43 vorgesehen.

Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans ist in den Fig. 6 und 7 veranschaulicht. Diese Ausführungsform weist im wesentlichen die gleiche konstruktive Ausbildung wie diejenige gemäß Fig. 4 auf,

-in wobei jedoch bei dieser Ausführungsform das Lager 41 in der Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft als Nocken anstelle des Nockens 23 der Ausführungsform gemäß Fig. 4 dient. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 steht der Arm 26 in direktem Eingriff mit dem Lager 41.

Auch diese AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Drucksteuerorgans kann eine Stützkraft gegen die Reaktionskraft der Feder 11 auf den Schrittmotor 16 ausüben. Da jedoch der Nocken 23 durch das Lager 41 eines bestimmten Krümmungsradiusses ersetzt wird, kann die Größe der .Stützkraft nicht genau den gleichen Betrag der Reaktionskraft der Feder 11 annehmen. Man erhalt mit anderen Worten nur eine Stützkraft mit·einer im wesentlichen proportionalen Größe zu der der Reaktionskraft.

Fig. 8 zeigt einen Graphen der Beziehung zwischen der Auslenkung der Feder 11 und dem Lastmoment auf den Stellmotor 16. Die strichlierte Linie verdeutlicht die Beziehung ohne die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft des erfindungsgemäßen Drucksteuerorganes, während die voll ausgezogene Kurve die Beziehung verdeutlicht, die bei der Ausführungsform gemäß Fig.' 6 erhalten wird.

Wie oben beschrieben, weist das erfindungsgemäße Drucksteuerorgan eine Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft zur Beaufschlagung der Antriebseinrichtung 12 mit

einer Stützkraft auf, wobei die Stützkraft eine Größe proportional zur Reaktionskraft der Feder 11 aufweist, welche als Stellkraftumwandelelement wirkt und wobei die Stützkraft entgegen der Richtung der Reaktionskraft ausgeübt wird. Folglich kann selbst bei einer großen Reaktionskraft die Last auf die Antriebseinrichtung 12 klein oder zu Null gemacht werden, so daß ein Hochgeschwindigkeitsantrieb mit einer kleinen Antriebskraft möglich gemacht werden kann. Dieser Vorteil ist insbesondere dann bemerkenswert, wenn eine kleine Antriebseinrichtung 12 wie beispielsweise der Schrittmotor 16 verwendet wird. Da die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft einen Nocken 23 eines passend zu wählenden Krümmungsradiusses wie bei der AusfUhrungsform gemäß den Fig. 2 oder 4 verwendet, kann die Größe der Reaktions- und der Stützkraft jeweils gänzlich gleichgemacht werden, so daß die Last auf die Antriebseinrichtung 12 zu Null werden kann.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Drucksteuerorgan nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf vielfältige Weise geändert oder modifiziert werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung 12 neben einem Schrittmotor 16 jegliche •andere Art von über die Winkelstellung regelbaren Motoren, aufweisen, beispielsweise einen mit einem Potentiometer versehenen Gleichstrommotor oder andere manuell oder mechanisch steuerbare bzw. regelbare Auslenkungseinrichtungen. Als Stellkraftumwandelelement könne alle zur Feder 11 gleichwertigen Einrichtungen verwendet werden oder es kann mittels einer Draht-Fernbedienung ■gehandhabt werden. Das erfindungsgemäße Drucksteuerorgan kann anstatt eines üblichen Ventils beispielsweise ein Steuerventil oder ein Düsen- bzw. Klappenventil aufweisen. Während die Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und die Drehscheibe 40 aufweisen, die direkt auf der drehenden Welle 17 des Stellmotors 16 angeordnet ist, ist es

weiterhin wahlweise möglich, die Welle 17 des Stellmotores 16 und eine Welle der Drehscheibe 40 mittels eines Untersetzungsgetriebes zu verbinden. Der Nocken der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann durch eine Exzenterscheibe ersetzt werden.

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Claims

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Drucksteuerorgan mit einem Absperrorgan, einem insbesondere als Feder ausgebildeten Stellkraftumwandelelement zum Andrücken des Absperrorgans und einer Antriebseinrichtung zur Zusammendrückung des Stellkraftumwandelelementes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (13) zur Erzeugung einer Stützkraft vorgesehen ist, die eine Stutzkraft erzeugt und gegen die Richtung einer durch die Zusammendrückung des Stellkraftumwandelelementes (Feder 11) erzeugten und auf die Antriebseinrichtung (12) wirkenden Reaktionskraft richtet, und die die Antriebseinrichtung (12) mit der Stutzkraft beaufschlagt.
2. Drucksteuerorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (13) zur Erzeugung der Stützkraft einen Nocken (23) aufweist, der mit der Antriebseinrichtung (12) verbunden ist und sich proportional zum Betrag der Eingarfgsauslenkung der Antriebseinrichtung (12) dreht, und daß die Einrichtung (13) eine Druckeinrichtung aufweist, die eine den Nocken (23) drehende Kraft erzeugt, die sich mit der Drehung des Nockens (23) ändert.
3. Drucksteuerorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (23) einen sich allmählich ändernden Krümmungsradius aufweist.

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4. Drucksteuerorgan nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (23) eine außermittig gelagerte Drehscheibe (40) ist.
5. Drucksteuerorgan nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung einen drehbar gelagerten Arm (26) mit einem auf den Nocken (23) wirkenden Druckteil und ein elastisches Element zum Drücken des Armes (26) gegen den Nocken TO (23) aufweist.
6. Drucksteuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (12) einen drehwinkelgesteuerten Motor (16) und ein mit diesem verbundenes Gewindeteil (Kugelgewindestange 20) aufweist, das mittels des Motors (16) zur Erzeugung einer vorwärts- bzw. rückwärtsgerichteten Bewegung drehbar ist.
7. Drucksteuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (12) einen drehwinkelgesteuerten Motor (16) und eine außermittig gelagerte, mit dem Motor (16) verbundene und mittels des Motors (16) drehbare Drehscheibe (40) aufweist.
8. Drucksteuerorgan nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch gelagerte Drehscheibe (40) als Nocken (23) dient.
9. Drucksteuerorgan nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (16) und die exzentrische Drehscheibe (40) ein zwischen diesen angeordnetes Untersetzungsgetriebe aufweisen.