DE3445998C2 - Druckmittelbetätigtes Stellglied - Google Patents
Druckmittelbetätigtes StellgliedInfo
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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 Pservo 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
Pservo erhöht wird, so daß die aus dem Druck Pservo 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 Pservo 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
Pservo 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 Pservo 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 Pservo 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.
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