DE3510546A1 - Elektrohydraulischer stellantrieb fuer stetige regelung - Google Patents

Description

ratsraum (20) der Hydraulikflüssigkeit (18) ange- 60 Schwingankerpumpe,

ben solcher Art ist die voneinander unabhängige Zuführung einer Betriebsspannung für die Schwingankerpumpe und eines Stellsignals für die Steuerung des Betätigungsgliedes, welches beispielsweise ein Kolben oder eine Membran sein kann. Das Betätigungsglied wird dabei entweder durch Ein-Aus-Steuerung der Pumpe oder durch eine Beeinflussung des von der Pumpe erzeugten Druckes gesteuert. In beiden Fällen sind zwei nicht vertauschbare elektrische Leitungspaare als Zuleitung zum Stellantrieb erforderlich.

Da das Betätigungsglied gegen die Kraft einer Rückstellfeder arbeitet, ist ein druckabhängiges Rückströmventil mit Drosselfunktion erforderlich, um das Zurückströmen der von der Pumpe geförderten Hydraulikflüssigkeit zu ermöglichen.

Ein aus der FR-Schrift 23 24 914 bekannter Stellantrieb weist als Rückströmventil ein elektrisch gesteuertes Magnetventil auf, für welches eine weitere Leitung erforderlich ist.

Die FR-Schrift 13 11 466 hingegen zeigt einen Stellantrieb mit selbsttätigem Rückströmventil in Form einer Ventilkombination. Diese Kombination weist ein kleines kolbenbetätigtes Ventil auf, welches bei einem Druckanstieg des von der Pumpe geförderten Druckmittels gegen die Kraft einer Rückstellfeder schliesst und ein federbelastetes Druckhalteventil, welches beim Druckanstieg den Weg zum Betätigungsglied freigibt. Dieser bekannte Stellantrieb ist deshalb nicht nur kompliziert in seinem Aufbau, sondern er weist auch erhebliche Leck- und Druckverluste auf.

Ein als Betätigungsglied dienender Kolben ist üblicherweise mittels O-Ring- oder Manschettendichtung gegen den Zylinder abgedichtet. Die bei dieser Dichtungsart auftretenden Reibungskräfte verursachen bei gegen die Kraft einer Feder arbeitenden Stellantrieben eine derart grosse Hysterese, dass deren Verwendung für eine stetige Regelung kaum möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für eine stetige Regelung geeigneten elektrohydraulischen Stellantrieb zu schaffen, der nur ein einziges Leitungspaar als Zuleitung benötigt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In den abhängigen Patentansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen gekennzeichnet.

Auf die Vorteile des erfindungsgemässen Stellantriebes wird im nachfolgenden Beschreibungsteil hingewiesen.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen elektrohydraulischen Stellantrieb, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Rückströmventil des Stellantriebs nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltschema für den Anschluss des Stellantriebs,

Fig. 4 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik einer

ordnet ist.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Stellantrieb für stetige Regelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein wesentlicher Nachteil bei bekannten Stellantrie- Fig. 5 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik des Stellantriebs und

Fig. 6 ein Diagramm der zeitlichen Arbeitscharakteristik des Stellantriebs.

Der in der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb ist in einem Gehäuse untergebracht, welches aus einem oberen Zylinderteil 10 und einem unteren Zylinderteil 12 besteht. Innerhalb des zylindrischen Gehäuses ist ein hohler KoI-

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ben 14 geführt und mittels einer Rollmembran 16 gegen einer Luftklappe bestimmt ist. Das Stellsignal ist ein die Zylinderwand abgedichtet. Der Raum unterhalb der spannungsvariabler Wechselstrom von Sinus-Rechteck-Rollmembran 16 ist ein mit einer Hydraulikflüssigkeit 18 oder Sägezahnform. Die zwei Drähte der Verbindungsteilweise gefüllter Vorratsraum 20. Oberhalb des Spie- leitung 32 zwischen dem Regler 64 und dem Stellantrieb gels der Hydraulikflüssigkeit 18 befindet sich ein Gas- 5 62 sind ohne nachteilige Wirkung vertauschbar. Das polster 22. Der Raum oberhalb der Rollmembran 16 ist Stellsignal wird im Stellantrieb 62 der Schwingankerder Arbeitsraum 24. Die Rollmembran 16 ist zwischen pumpe 30 zugeführt, die als bekannt vorausgesetzt wird. Flanschen der beiden Zylinderteile 10 und 12 einge- Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Arbeitschaspannt. rakteristik der Schwingankerpumpe in Form einer

Der Kolben 14 ist durch die Kraft einer innerhalb des io Kennlinie 70, wobei auf der Abzissenachse die Speise-Gehäuses angeordneten Rückstellfeder 26 in Richtung spannung in Prozent und auf der Ordinatenachse der des Arbeitsraumes 24 vorgespannt. Innerhalb des KoI- Staudruck in Prozent angegeben sind,
bens 14 ist eine mit einem Rückströmventil 28 verbun- Die Fig. 5 zeigt die Arbeitscharakteristik des Stellandene elektrisch antreibbare Schwingankerpumpe 30 an- triebes, wobei auf der Abzissenachse die Speisespangeordnet. Eine zweiadrige Zuleitung 32 der Schwingan- 15 nung und auf der Ordinatenachse der Stellweg des Stöskerpumpe 30 ist aus dem unteren Gehäuseteil 12 her- sels 34 angegeben ist. Die entsprechende Kennlinie 72 ausgeführt. Der Kolben 14 ist über das Rückströmventil ist doppelt ausgezogen, um darzustellen, dass in einem 28 und die Schwingankerpumpe 30 mit einem Stössel 34 Abstand 74 eine Hysterese vorhanden ist.
verbunden, der in einem mit dem unteren Gehäuseteil Die Fig. 6 zeigt die zeitliche Arbeitscharakteristik des 12 verbundenen Führungslager 36 geführt und mittels 20 Stellantriebes in Form von Kennlinien bei 50,60,70 und einer O-Ring-Dichtung 38 abgedichtet ist. 80 Prozent der Speisespannung. Die Abzissenachse ist

Die Pumpe 30 weist eine Ansaugöffnung 40 auf, die in dieser Figur die Zeitachse, während auf der Ordinatensich unabhängig von der Lage des Stellantriebs stets achse der Stellweg in Prozent angegeben ist.
unterhalb des Spiegels der Hydraulikflüssigkeit 18 be- Anhand der Fig. 1 und 2 wird nachfolgend die Wirfindet. Das mit der Pumpe 30 verbundene Rückström- 25 kungsweise des Stellantriebes erläutert. Wird an die ventil 28 ist über eine erste Oeffnung 42 mit dem Ar- elektrische Zuleitung 32 ein elektrisches Wechselspanbeitsraum 24 verbunden. Ueber eine zweite Oeffnung nungssignal geeigneter Frequenz und genügender 44 ist das Rückströmventil 28 mit dem Vorratsraum 20 Grosse angelegt, so beginnt die Schwingankerpumpe 30 verbunden, da das untere Ende 46 des glockenartigen zu arbeiten. Sie saugt über die Ansaugöffnung 40 Hy-Kolbens 14 offen ist. Es ist in der Fig. 1 auch zu erken- 30 draulikflüssigkeit 18 aus dem Vorratsraum 20 an und nen, dass der Rand des Kolbens 14 am unteren Ende 46 fördert diese durch das Rückströmventil 28 und die ereinen grösseren Durchmesser als der Kolben in seinem ste Oeffnung 42 in den Arbeitsraum 24. Damit die geförübrigen Bereich aufweist, um als Führung innerhalb des derte Hydraulikflüssigkeit dort Platz findet, muß sich unteren zylindrischen Gehäuseteiles 12 zu dienen. der Kolben 14 mit der Rollmembran 16, dem Rück-

In der Fig. 2 ist das Rückströmventil 28 im Detail 35 Strömventil 28, der Pumpe 30 und dem Stössel 34 entdargestellt. Das Rückströmventil 28 weist ein Ventilge- sprechend abwärts in Richtung des Führungslagers 36 häuse 48 auf, welches unter Zwischenlage einer Mem- bewegen. Diese Bewegung findet solange statt, bis zwibran 50 mit der Pumpe 30 verbunden ist. Die Membran sehen dem Förderdruck der Pumpe 30 bzw. der diesem 50 ist eine kreisförmige Metallscheibe geringer Dicke. entsprechenden Kolbenkraft und der Gegenkraft der Die Druckseite der Pumpe 30 ist durch einen Kanal 52 40 Rückstellfeder 26 Gleichgewicht besteht,
gebildet, der koaxial gegen die Unterseite der Membran Wird das elektrische Wechselspannungssignal in sei-50 mündet. ner Grosse verringert, wird der von der Pumpe 30 er-

In ihrer in der Fig. 2 dargestellten Ruhelage ist der zeugte Förderdruck gemäß deren Arbeitscharakteristik

druckseitige Kanal 52 durch die Membran 50 verschlos- nach Fig. 4 sinken. Der Druck im Arbeitsraum 24 ist

sen. Auf der Oberseite der Membran 50 liegt dem Kanal 45 dann infolge der Gegenkraft der Rückstellfeder höher

52 ein Ventilsitz 54 gegenüber, der mit der in den Vor- als der Pumpendruck. In diesem Fall lässt das Rück-

ratsraum 20 mündenden zweiten Oeffnung 44 verbun- Strömventil 28 Hydraulikflüssigkeit 18 durch die zweite

den ist. In ihrer Ruhelage befindet sich die Membran 50 Oeffnung 44 in den Vorratsraum 20 zurückfliessen. Da-

in einem Abstand 56 vom Ventilsitz 54, so dass die zwei- bei wird sich der Kolben 14 soweit zurückbewegen und

te Oeffnung 44 mit einem oberhalb der Membran 50 50 die Rückstellfeder 26 entlasten, bis erneut das Gleichge-

angeordneten Ringraum 58 verbunden ist. Der Ring- wicht hergestellt ist.

raum 58 ist ständig mit der in den Arbeitsraum 24 mün- Das Rückströmventil 28 gemäß Fig. 2 arbeitet dabei denden ersten Oeffnung 42 über zueinander abgewin- wie folgt: Beginnt die Pumpe 30 durch den druckseitigen kelte Kanäle verbunden. Die Membran 50 weist ausser- Kanal 52 Hydraulikflüssigkeit zu fördern, dann wird zuhalb ihres Zentrums mindestens eine Durchlassöffnung 55 erst die Membran 50 in ihrer mittleren Zone aufgewölbt, 60 auf, die in der Ruhelage der Membran gegen die bis sie am Ventilsitz 54 anliegt und die zweite Oeffnung obere Fläche der Pumpe 30 verschlossen ist. 44 verschliesst. In der Folge wird die Membran soweit in

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltschema, in welchem der in den Ringraum 58 hinein aufgewölbt, bis die Durchlass-

der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb mit 62 bezeichnet ist. Öffnungen 60 von der Stirnfläche der Pumpe 30 abheben

Dieser Stellantrieb 62 ist über die zweidrähtige Verbin- 60 und Hydraulikflüssigkeit durch die erste Oeffnung 42 in

dungsleitung 32 mit einem Regler 64 verbunden, der den Arbeitsraum 24 (Fig. 1) gefördert wird. Bei Gleich-

seinerseits einen Netzanschluss 66 aufweist und mit ei- gewicht zwischen Kolbenkraft und Gegenkraft der

nem Fühler 68 verbunden ist. Der Fühler 68 kann bei- Rückstellfeder 26 hört die Förderung auf. Der Druck

spielsweise ein Temperaturfühler sein. Der Regler 64 ist vor und hinter der Membran 50 gleicht sich infolge des-

für eine stetige Regelung bestimmt und liefert demzu- 65 sen nahezu aus, wobei sich die Membran 50 geringfügig

folge ein stetig veränderbares Stellsignal über die Lei- vom Ventilsitz 54 abheben wird und eine sehr kleine

tung 32 an den Stellantrieb 62, welcher zur Verstellung Leckmenge Hydraulikflüssigkeit durch die zweite Oeff-

eines Stellgliedes, wie beispielsweise eines Ventils oder nung 44 in den Vorratsraum 20 entweichen kann.

Sinkt der Förderdruck der Pumpe 30, so ist der Druck im Arbeitsraum 24 höher und bewirkt, dass die Membran 50 in ihre Ruhelage zurückkehrt. Dabei hebt sie sich vom Ventilsitz 54 ab und gibt die Rücklauföffnung 44 frei, durch welche nun Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsraum 20 zurückfliesst, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt.

Empfindlichkeit und Durchflussmenge des Rückströmventils 28 lassen sich auf einfache Weise durch die entsprechende Wahl der Abmessungen beeinflussen. ι ο

Die Schwingankerpumpe 30 ist vorzugsweise für eine Nennspannung von beispielsweise 220 V oder 24 V bei einer Frequenz von 50 Hz bemessen.

Das vom Regler 64 zu liefernde Stellsignal sollte eine Spannung zwischen etwa 38% und 100% der Nennspannung aufweisen. Dies kann in Form einer Aenderung der Sinus-Spannung, beispielsweise über einen Regeltransformator oder durch Phasenanschnittsteuerung erfolgen.

Bei dem erfindungsgemässen Stellantrieb wird die spannungsabhängige stetige Arbeitscharakteristik der Schwinganker-Hydraulikpumpe zur Erzielung einer stetigen Verstellbarkeit des Stellantriebs 62 ausgenutzt. Das anhand der Fig. 2 beschriebene Rückströmventil 28 ist imstande, bei sehr kleinen Druckdifferenzen zuverlässig zu arbeiten, da es nur ein einziges bewegliches Teil, nämlich die reibungsarm bewegbare Membran 50 als Absperrorgan aufweist.

Die Verwendung der den Kolben 14 abdichtenden Membran 16, welche vorzugsweise eine dünnwandige Rollmembran ist, setzt der Betätigung des Kolbens 14 kaum einen Widerstand entgegen, so dass nur geringe Vorschubkräfte erforderlich sind. Für kleine Antriebswege können auch Metallfaltenbälge verwendet werden, welche reibungsfrei arbeiten. Die Verwendung einer Rollmembran oder eines Faltenbalges sowie die Ausführung des Rückströmventils mit Membran als einziges bewegliches Element bilden wesentliche Voraussetzungen zur Erzielung einer stetigen Arbeitscharakteristik bei einem mit nur zwei Drähten gespeisten,gegen die Kraft einer Rückstellfeder arbeitenden Stellantrieb. Durch die Erfindung wird somit nicht nur die Konstruktion eines solchen Stellantriebes, sondern auch die elektrische Installation in der zu regelnden Anlage vereinfacht. Ferner gewährleisten die wenigen beweglichen Teile einen weitgehend störungsarmen Betrieb.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Elektrohydraulischer Stellantrieb für stetige Regelung, mit einer Schwingankerpumpe (30) für eine hydraulikflüssigkeit (18), wobei die geförderte Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit eines zugeführten Stellsignals ein Betätigungsglied (14) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (26) verstellt und mit einem druckabhängig wirkenden Rückströmventil (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingankerpumpe (30) unmittelbar durch das in Form eines Wechselstromsignals veränderbarer Spannung zugeführte Stellsignal gespeist ist, um unmittelbar in Abhängigkeit von der Spannung des zugeführten Stellsignals einen veränderbaren Druck der Hydraulikflüssigkeit (18) zu erzeugen und dass das Rückströmventil (28) ein Membranventil ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (50) des Rückströmventils (28) zwischen der Druckseite (52) der Pumpe (30) und dem Arbeitsraum (24) des Betätigungsgliedes (14) oder einem mit dem Arbeitsraum (24) verbundenen Raum (58) angeordnet ist, wobei arbeitsraumseitig ein mit der Membran (50) zusammenwirkender Ventilsitz (54) angeordnet ist, dessen durch die Membran (50) verschliessbare Oeffnung (44) mit einem Vorratsraum (20) der Hydraulikflüssigkeit (18) verbunden ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (50) abseits von der mit dem Ventilsitz (54) zusammenwirkenden Stelle mindestens eine Oeffnung (60) aufweist, die bei der in der Ruhelage gegen eine Fläche anliegenden Membran (50) durch diese Fläche verschlossen ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite der Pumpe (30) durch einen Kanal (52) gebildet ist, welcher dem Ventilsitz (54) in der Mitte der Membran (50) axial gegenüberliegt.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (50) eine kreisförmige dünnwandige Metallscheibe ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückströmventil (28) zusammen mit der Pumpe (30) mindestens teilweise innerhalb eines als Betätigungsglied dienenden becherförmigen Kolbens (14) montiert ist, dessen Kolbenstange (34) an der Pumpe (30) befestigt ist.

7. Stellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in einem zylindrischen Gehäuse (10, 12) geführte Kolben (14) mittels einer Rollmembran (16) oder eines Metallfaltenbalges gegen die Zylinderwand abgedichtet ist, während die Kolbenstange (34) durch eine O-Ring-Dichtung (38) hindurch aus dem Gehäuse (12) herausgeführt ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Arbeitsraum (24) entgegengesetzten Seite des Kolbens (14) der Vor