DE3445998C2 - Druckmittelbetätigtes Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckmittelbetätigtes Stellglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckmittelbetätigte Stellglieder und insbesondere pneu­ matische Stellglieder sind vielerorts in Gewerbe und in der Industrie eingesetzt. Oft ist es erwünscht, das Stellglied mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu betreiben, z. B. wenn das Stellglied zum Einstellen eines die Hochdruckneben­ luft aus einem Verdichteraustrittsabschnitt eines Gastur­ binentriebwerks steuernden Ventils verwendet wird. In solchen Fällen würde der Betrieb des Stellglieds unter den gewünschten Arbeitsgeschwindigkeiten einer genauen Steuerung des Luftstromes durch das betätigte Ventil entgegenwirken. Andererseits könnten Arbeitsgeschwindigkeiten, die größer als gewünscht sind, das Ventil und das Stellglied über­ mäßig beanspruchen.

Es ist bekannt, daß Versuche gemacht wurden, um die Arbeits­ geschwindigkeiten von pneumatischen Stellgliedern dadurch zu steuern, daß der Luftstrom zu dem Stellglied durch die Steuerung des Servodruckmitteldruckes mit einer einzigen Öffnung gesteuert wird. Es ist jedoch festgestellt worden, daß im allgemeinen eine einzige Öffnung entweder keinen ausreichenden Strom zum Betrieb des Stellgliedes mit einer gewünschten Geschwindigkeit ermöglicht oder einen zu großen Strom schafft, der das Stellglied mit Arbeitsgeschwindig­ keiten arbeiten läßt, die höher als erwünscht sind. Obwohl druckmittelbetätigte Motoren mit veränderlicher Geschwin­ digkeit bekannt sind, sind solche Geräte im allgemeinen nicht zur Verwendung bei Stellgliedern der hier beschrie­ benen Art anpaßbar.

Die US-PS-3 921 988 zeigt, daß die Nut in einem Kolben eines Zylinders eines Verbrennungsmotors geringfügig breiter ist als die Dicke des Kolbenringes, der in dieser Nut angeordnet ist, so daß der Kolbenring ein kleines axiales Spiel in der Nut hat.

Aus der US-PS-4 050 357 ist ein Einlaßventil für einen Dampf­ zylinder einer Dampfkraftmaschine bekannt. Wenn ein in dem Dampfzylinder bewegbarer Kolben seine Totpunktlage erreicht, hebt der Kolben das Einlaßventil von seinem Sitz gegen die Kraft einer Feder ab. Wenn der Kolben sich zurückbewegt, wird das Einlaßventil durch die Kraft der Feder wieder verschlos­ sen.

Die DD-2 29 751 A1 zeigt eine Dämpfungseinrichtung für Druck­ luftantriebe von Stromabnehmern. Bei dieser Dämpfungseinrich­ tung ist eine Drosselscheibe über eine Feder an einem Kolben befestigt. Wenn der Kolben seine Endlage erreicht, wird die Abluftbohrung des Zylinders durch die Drosselscheibe zunehmend verschlossen, wodurch sich die Bewegung des Kolbens verzögert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes druckmittelbetätigtes Stellglied so auszubilden, daß dessen Arbeitsgeschwindigkeit genau steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Arbeitsgeschwindigkeit eines druckmittelbetätigten Stellgliedes der Kolben-Zylinder-Art wird dadurch gesteuert, daß der Betrieb des Stellgliedes mit einem Druckmittel mit einem ersten, verhältnismäßig hohen Druck eingeleitet wird und daß dann, wenn die Bewegung des Kolbens einmal eingeleitet ist, der Druck des dem Stell­ glied zugeführten Druckmittels vermindert wird, um die anhaltende Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens in dem Zylin­ der genau zu steuern. Es wurde festgestellt, daß Arbeits­ geschwindigkeiten mit einem einzigen Eingangsdruck oder Einlaßströmungsquerschnitt (wie er durch eine einzige Öffnung bestimmt wird) nicht genau gesteuert werden können, da ein Druck notwendig ist, der höher als derjenige ist, welcher zum Aufrechterhalten einer gewünschten Arbeitsge­ schwindigkeit erforderlich ist, um die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder einzuleiten. Bei dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel wird der Eingangsdruck für die anhaltende Kolbenbewegung unter den Eingangsdruck abgesenkt, der zum Einleiten der Bewegung des Kolbens erforderlich ist, indem der Strömungsquerschnitt des Einlasses zu dem Stellglied wirksam vermindert wird. Der Strömungsquerschnitt wird durch Blockieren des Einlasses zu dem Stellglied mit einem eine kleine Steueröffnung aufweisenden Verschlußteil nach Einleitung der Bewegung des Stellgliedkolbens vermindert. Die Öffnung ist so bemessen, daß ein Strom mit einem Druck hindurchgehen kann, der ausreichend ist, um das Stellglied mit der erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeit zu betreiben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte bruchstückhafte Ansicht eines in einem typischen pneumatischen Stellglied verwende­ ten Kolbens, Kolbenringes und Zylinders,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch ist der Ring in einer anderen Stellung in bezug auf den Kolben dargestellt,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, wobei aber der Ring in einer weiteren Stellung in bezug auf den Kolben gezeigt ist,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines pneumatischen Stell­ gliedes nach der Erfindung, vor der Bewegung des Stellgliedkolbens, und

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, wobei aber der Kolben während der Arbeitsbewegung gezeigt wird.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Erfindung ist auf ein druckmittelbetätigtes Stellglied der Kolben-Zylinder- Art in irgendeiner bekannten Form gerichtet, wobei der Kolben 10 in einem Zylinder 15 angeordnet und in Längs­ richtung dazu in den durch den Pfeil 20 angegebenen Rich­ tungen bewegbar ist. Der Kolben 10 ist auf normale Art und Weise mit einer Nut 25 versehen, die einen Kolbenring 30 darin aufnimmt, wobei der Ring 30 radial nach außen in Randkontakt mit der Seitenwand des Zylinders 15 durch einen Spreizring 35 gedrängt wird. Der Kolben ist an einer Kol­ benstange 40 auf irgendeine bekannte Art und Weise befestigt und bewegt sich mit seiner einen Endfläche gegen einen Gegendruck P₁, wobei die andere Endfläche des Kolbens durch einen gesteuerten Servodruck P_servo unter Druck gesetzt wird, der zur Steuerung der Kolbenbewegung in dem Zylinder erfindungsgemäß eingestellt wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, haben zum Zwecke des Zusammenbaus und der Aufnahme einer thermischen Vergrößerung der Ring 30 und der Spreizring 35 eine geringere Dicke als die Nut 25, wodurch ein Spielraum zwischen den oberen Oberflächen des Kolbenringes und der Nut gebildet wird.

Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, daß das Stell­ glied, wie in Fig. 1 gezeigt, sich in einem Nullzustand be­ findet, wobei der Kolbenring den untersten Teil der Nut besetzt, und es erwünscht ist, das Stellglied für eine Auf­ wärtsbewegung des Kolbens in Betrieb zu setzen, wobei P_servo erhöht wird, so daß die aus dem Druck P_servo resul­ tierende, nach oben gerichtete Kraft des Druckmittels auf den Kolben und den Ring die aus dem Gegendruck P₁ resul­ tierende nach unten gerichtete Kraft überwindet. Es wurde festgestellt, daß bei pneumatischen Stellgliedern der Kol­ benring und der Spreizring in der Nut durch die Erhöhung von P_servo normalerweise angehoben wird, bevor sich der Kolben selbst bewegt. In Fig. 2 ist dieser Zustand darge­ stellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein Leckweg vom unteren Ende des Kolbens aus, um seine seitliche Oberfläche herum und durch das Innere des Spreizringes geschaffen, wenn P_servo auf eine Größe erhöht wird, die ausreichend ist, um den Kolbenring, aber nicht den Kolben selbst, nach oben zu bewegen, wobei der Leckweg durch Pfeile 45 dargestellt ist. Es ist dann klar, daß zum Betätigen des Kolbens 10 für eine Aufwärtsbewegung P_servo eine Größe haben muß, die aus­ reichend ist, um die durch den Druck P₁ bewirkte Gegenkraft auf den Kolben sowie das Lecken durch das Innere des Kol­ benringes zu kompensieren, um dadurch den Kolbenring zu der stromabwärtigen Seite der Nut, wie in Fig. 3 gezeigt, anzu­ heben. Ein solcher Druck kann jedoch wesentlich größer sein als derjenige, der für eine anhaltende Bewegung des Kolbens nach oben mit der gewünschten Arbeitsgeschwindigkeit er­ forderlich ist.

Das Stellglied ist mit einer Steuereinrichtung versehen, die zum anfänglichen Aufbringen eines ersten hohen Druckes auf den Kolben und den Ring zum Bewegen des Ringes über den Spielraum in der dafür bestimmten Nut hinweg und zum Ein­ leiten der Bewegung des Kolbens, zum Weg­ nehmen des hohen Druckes von dem Kolben und dem Ring nach der Einleitung der Kolbenbewegung und zum Aufbringen eines zweiten, verhältnismäßig niedrigen Druckes auf den Kolben und den Ring zum Aufrechterhalten der eingeleiteten Bewegung des Kolbens mit einer gewünsch­ ten Geschwindigkeit innerhalb des Zylinders dient. Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Steuereinrichtung weist zum Aufbringen des höheren Druckes auf den Kolben eine Druck­ mittelleitung 50 auf, die vom Zylinder 15 aus axial verläuft und eine erhöhte Stufe am unteren Ende der Leitung hat, die mit einer vergrößerten Kammer 60 in Verbindung steht. Diese Kammer wiederum steht mit einer Leitung 62 in Verbindung, welche die Kammer mit einer Servodruckmittelquelle 63 ver­ bindet. Wenn es sich um ein pneumatisches Stellglied han­ delt, das in einem Flugzeug eingesetzt ist, kann die Quelle 63 Verdichteraustrittsluft enthalten, die von einem Gas­ turbinentriebwerk abgezapft wird. Zum Weg­ nehmen des höheren Druckes von dem Kolben und dem Ring weist die Steuereinrichtung ein Verschlußteil 65 auf, das durch die Kolbenstange 40 (Stößel) an deren unteren Ende betätigt und durch eine Schraubenfeder 70 nach oben gedrückt wird, die zwischen dem Verschlußteil und der unteren Wand der Kammer 60 festgehal­ ten wird. Das Verschlußteil 65 ist mit einer Steueröffnung 75 versehen, die durch es hindurch verläuft und zum Aufbringen des niedrigen Druckes auf den Kol­ ben und den Ring dient. Wie in Fig. 4 dargestellt, liegt der Kolben 10 in Betrieb im Ruhezustand auf den Sitzen 80 (Vorsprünge) auf, die von der unteren Wand des Zylinders 15 aus nach oben verlaufen. In dieser Stellung drängt das Stangenverlängerungsstück 67 das Verschlußteil 65 nach unten, wodurch das Verschlußteil von dem Vorsprung 55 abge­ hoben wird und ein großer Durchgang von der Druckmittel­ quelle 63 durch den Kanal 62, um das Verschlußteil herum und durch die Leitung 50 zu der Unterseite des Kolbens 10 und des Ringes 30 geöffnet wird. Wie oben beschrieben, bewegt dieser hohe Druck den Kolbenring 30 in der Nut 25 nach oben zu der stromabwärtigen Seite der Nut hin und leitet die Bewegung des Kolbens ein. Wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, die Kolbenbewegung einmal eingeleitet ist, kann durch eine leichte Aufwärtsbewegung der Stange 40 die Feder 70 das Verschlußteil 65 auf den Vorsprung 55 drücken, worauf der einzige Durchgang von der Druckmittelquelle 63 zu dem Kolben 10 durch die Steueröffnung 75 führt. Hierdurch wird P_servo erheblich vermindert und zwar auf eine Größe, die der gewünschten Geschwindigkeit einer anhaltenden Kol­ benbewegung entspricht.

Es ist daher ersichtlich, daß durch die Erfindung das Stell­ glied mit einem anfänglichen Servodruck versorgt wird, der ausreichend ist, um den Kolbenring über die Nut hinweg zu bewegen, wobei der Servodruck automatisch vermindert wird, wenn die Kolbenbewegung für eine genaue Arbeitsgeschwindig­ keitssteuerung mit minimalem Aufwand an Druckmitteldruck einmal eingeleitet ist.

Obwohl ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung ge­ zeigt und beschrieben wurde, ist es klar, daß die Offen­ barung verschiedene gleichwertige Formen der Erfindung den Fachleuten aufzeigen wird, und es wird durch die Ansprüche beabsichtigt, solche Abwandlungen abzudecken, die in den Bereich der Erfindung fallen.

Claims (5)

1. Druckmittelbetätigtes Stellglied mit einem Zylinder und einem Kolben, der darin angeordnet und in Längsrichtung dazu beweglich ist und in seiner äußeren Oberfläche eine Nut aufweist, die einen Kolbenring aufnimmt, wobei die Nut eine Breite hat, die größer als die Dicke des Kolbenrings ist, wodurch ein Spielraum in Längsrichtung mit ihm gebil­ det wird, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (50, 65, 75)

• a) zum anfänglichen Aufbringen eines ersten, verhältnismäßig hohen Druckes auf den Kolben (10) und den Kolbenring (30), um den Ring (30) über den Spielraum hinweg zu bewegen und die Bewegung des Kolbens (10) einzuleiten,
• b) zum Wegnehmen des hohen Druckes von dem Kolben (10) und dem Kolbenring (30) nach der Einleitung der Kolbenbewegung und
• c) zum Aufbringen eines zweiten, verhältnis­ mäßig niedrigen Druckes auf den Kolben (10) und den Ring (30) zum Aufrechterhalten der eingeleiteten Bewegung des Kolbens (10) und zum Steuern seiner Arbeitsgeschwindigkeit in dem Zylinder (15).

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (50, 65, 75) zum Aufbringen des hohen Druckes auf den Kolben (10) eine Druckmittelleitung (50) aufweist, die an ihrem einen Ende mit dem Kolben (10) und an ihrem ent­ gegengesetzten Ende mit einer Quelle von unter dem hohen Druck stehenden Druckmittel in Verbindung steht.

3. Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (50, 65, 75) zum Wegnehmen des hohen Druckes von dem Kolben (10) und dem Kolbenring (30) ein Verschlußteil (65) aufweist, das mit dem Strömungsquerschnitt der Druckmittel­ leitung (50) durch die Einleitung der Kolbenbewegung in Deckung bringbar ist.

4. Stellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußteil (65) zur Deckung mit dem Strömungs­ querschnitt der Druckmittelleitung (50) vorgespannt ist und ein Stößel (40) vorgesehen ist, der von dem Kolben (10) gehalten wird und mit dem Verschlußteil (65) vor der Ein­ leitung der Kolbenbewegung in Eingriff bringbar ist, um das Verschlußteil (65) aus der Deckung mit dem Strömungs­ querschnitt der Leitung (50) zu bringen, wodurch die Auf­ bringung des höheren Druckes auf den Kolben (10) und den Kolbenring (30) möglich wird.

5. Stellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (50, 65, 75) zum Aufbringen eines zweiten, relativ niedrigen Druckes auf den Kolben (10) eine Öffnung (75) aufweist, die durch das Verschlußteil (65) hindurch ver­ läuft.