DE3510546C2 - - Google Patents
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16K11/00—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves
- F16K11/02—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit
- F16K11/022—Multiple-way valves, e.g. mixing valves; Pipe fittings incorporating such valves with all movable sealing faces moving as one unit comprising a deformable member
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Stell
antrieb für stetige Regelung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Ein solcher, aus der US-PS 44 58 487 bekannter Stellan
trieb weist einen Rückströmkanal auf, durch den solange
Hydraulikflüssigkeit von der Arbeitskammer in die Vor
ratskammer zurückströmt, wie in der Arbeitskammer ein
Überdruck gegenüber der Vorratskammer herrscht. Eine
solche Bauart hat zur Folge, daß die Pumpe ständig die
durch den Rückströmkanal entstehenden Leckverluste
decken muß. Während des Arbeitshubes stellt diese Rück
strömung einen Verlust dar. Um die Verluste zu verrin
gern, ist bei dem bekannten Stellantrieb der Rückström
kanal durch eine Einstellschraube oder durch eine einge
setzte Drosselblende gedrosselt. Dies ist jedoch mit dem
Nachteil verbunden, daß die Rückstellzeit in uner
wünschter Weise verlängert wird.
In der nicht vorveröffentlichten EP-Anmeldung 01 54 854
wird ein elektrohydraulischer Stellantrieb mit einem
elektrisch steuerbaren Sperrventil im Rückströmkanal
vorgeschlagen. Ein solcher Stellantrieb ist erstens mit
dem Nachteil behaftet, daß außer für die Pumpe eine
weitere elektrische Leitung zur Steuerung des Sperrven
tils erforderlich ist und zweitens, daß bei ausgeschal
teter Pumpe der Druck im Druckraum solange aufrechter
halten bleibt, bis das Sperrventil geöffnet wird. Aus
der vorstehenden Funktionsweise ergibt sich, daß dieser
Stellantrieb nicht für eine stetige Regelung geeignet
ist.
Eine Schwingankerpumpe, wie sie beispielsweise im Zusam
menhang mit dem Erfindungsgegenstand verwendet werden
kann, ist in der DE-PS 11 01 960 beschrieben.
Aus dem Buch "Konstruktionselemente des Maschinenbaues"
Seite 244 von F. Bodenstein, erschienen 1968 im Springer
Verlag, ist die allgemeine Verwendung von Rollmembranen
bekannt, welche bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgeschlagen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für eine
stetige Regelung geeigneten elektrohydraulischen Stell
antrieb zu schaffen, der nur ein einziges Leitungspaar
als Zuleitung und eine geringe Steuerleistung benötigt.
Die gestellte Ausgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk
male gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die
Rückströmung ohne eine zusätzliche Steuerleitung zu
steuern. Dabei erfolgt die Steuerung nicht nur im Auf-
Zu-Betrieb, sonder ebenfalls stetig. Die Membran des
Rückströmventils vergleicht ständig den jeweils von der
Pumpe erzeugten Druck mit dem in der Arbeitskammer vor
handenen Druck. Ist der Pumpendruck höher, schließt das
Rückströmventil den Rückströmkanal. Damit ist die gesam
te Leistung der Pumpe während des Arbeitshubes nutzbar,
da keine ständigen Verluste durch den Rückströmkanal auf
treten. Dies hat zur Folge, daß die Pumpe vom Regler
weniger Leistung benötigt, als bei dem bekannten, für
eine stetige Regelung bestimmten Stellantrieb. Ist der
Pumpendruck gleich oder niedriger als der in der Ar
beitskammer vorhandene Druck, dann öffnet das Rückström
ventil den Rückströmkanal. Durch die Größe der vollen
Öffnung des Rückströmventils läßt sich die Rückstell
zeit nahezu beliebig wählen. Durch die Verwendung eines
Membranventils arbeitet dieses nahezu hysteresefrei, so
daß der erfindungsgemäße Stellantrieb eine stetige
Regelung einwandfrei gewährleistet.
Die Unteransprüche kennzeichnen bevorzugte Ausführungs
formen der Erfindung, auf deren Vorteile im nachfolgen
den Beschreibungsteil hingewiesen wird.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung 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 Stell
antriebs,
Fig. 4 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik einer
Schwingankerpumpe,
Fig. 5 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik des
Stellantriebs und
Fig. 6 ein Diagramm der zeitlichen Arbeitscharakte
ristik des Stellantriebs.
Der in der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb ist in
einem zylindrischen Gehäuse untergebracht, welches aus einem oberen
Gehäuse 10 und einem unteren Gehäuse 12 besteht.
Innerhalb des Gehäuses ist ein
becherförmiger hohler Kolben 14 geführt und mittels einer Rollmembran
16 gegen die Zylinderwand abgedichtet. Der Raum unterhalb
der Rollmembran 16 ist ein mit einer Hydraulikflüssigkeit
18 teilweise gefüllter Vorratsraum 20.
Oberhalb des Spiegels der Hydraulikflüssigkeit 18 befindet
sich ein Gaspolster 22. Der Raum oberhalb der
Rollmembran 16 ist der Arbeitsraum 24. Die Rollmembran
16 ist zwischen Flanschen der beiden Gehäuseteile 10
und 12 eingespannt.
Der Kolben 14 ist durch die Kraft einer innerhalb des
Gehäuses angeordneten Rückstellfeder 26 in Richtung
des Arbeitsraumes 24 vorgespannt. Innerhalb des Kolbens
14 ist eine mit einem Rückströmventil 28 verbundene
elektrisch antreibbare Schwingankerpumpe 30 angeordnet.
Eine zweiadrige elektrische Zuleitung 32 der Schwingankerpumpe 30
ist aus dem unteren Gehäuseteil 12 herausgeführt. Der
Kolben 14 ist über das Rückströmventil 28 und die
Schwingankerpumpe 30 mit einer Kolbenstange 34 verbunden,
die in einem mit dem unteren Gehäuseteil 12 verbundenen
Führungslager 36 geführt und mittels einer O-Ring-Dichtung
38 abgedichtet ist.
Die Schwingankerpumpe 30 weist eine Ansaugöffnung 40 auf, die sich
unabhängig von der Lage des Stellantriebs stets unterhalb
des Spiegels der Hydraulikflüssigkeit 18 befindet.
Das mit der Schwingankerpumpe 30 verbundene Rückströmventil 28
ist über eine Öffnung 42 mit dem Arbeitsraum 24
verbunden. Über einen Rückströmkanal 44 ist das Rückströmventil
28 mit dem Vorratsraum 20 verbunden, da
das untere Ende 46 des Kolbens 14 offen
ist. Es ist in der Fig. 1 auch zu erkennen, daß der
Rand des Kolbens 14 am unteren Ende 46 einen größeren
Durchmesser als der Kolben in seinem übrigen Bereich
aufweist, um als Führung innerhalb des unteren
Gehäuseteiles 12 zu dienen.
In der Fig. 2 ist das Rückströmventil 28 im Detail dargestellt.
Das Rückströmventil 28 weist ein Ventilgehäuse
48 auf, welches unter Zwischenlage einer Membran 50
mit der Schwingankerpumpe 30 verbunden ist. Die Membran 50 besteht aus einer
dünnwandigen kreisförmigen Metallscheibe. Der Druckseite
der Schwingankerpumpe 30 ist ein Kanal 52 zugeordnet,
der koaxial gegen die Unterseite der Membran 50 mündet.
In ihrer in der Fig. 2 dargestellten Ruhelage ist
der Kanal 52 durch die Membran 50 verschlossen.
Auf der Oberseite der Membran 50 liegt dem
Kanal 52 ein Ventilsitz 54 gegenüber, der mit dem in
den Vorratsraum 20 mündenden Rückströmkanal 44 verbunden
ist. In ihrer Ruhelage befindet sich die Membran
50 in einem Abstand 56 vom Ventilsitz 54, so daß der
Rückströmkanal 44 mit einer oberhalb der Membran 50
angeordneten ringförmigen Zwischenkammer 58 verbunden ist. Die Zwischenkammer
58 ist ständig mit der in den Arbeitsraum 24 mündenden
Öffnung 42 über zueinander abgewinkelte Kanäle
verbunden. Die Membran 50 weist außerhalb ihres Zentrums
mindestens eine Öffnung 60 auf, die
in der Ruhelage der Membran 50 gegen die obere Fläche der
Schwingankerpumpe 30 verschlossen ist.
Die Fig. 3 zeigt ein Schaltschema, in welchem der in
der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb mit 62 bezeichnet
ist. Dieser Stellantrieb 62 ist über die zweiadrige
Zuleitung 32 mit einem Regler 64 verbunden,
der seinerseits einen Netzanschluß 66 aufweist und
mit einem Fühler 68 verbunden ist. Der Fühler 68 kann
beispielsweise ein Temperaturfühler sein. Der Regler
64 ist für eine stetige Regelung bestimmt und liefert
demzufolge ein stetig veränderbares Stellsignal über
die Zuleitung 32 an den Stellantrieb 62, welcher zur Verstellung
eines Stellgliedes, wie beispielsweise eines
Ventils oder einer Luftklappe bestimmt ist. Das Stellsignal
ist ein spannungsvariabler Wechselstrom von Sinus-Rechteck-
oder Sägezahnform. Die zwei Drähte der
Zuleitung 32 zwischen dem Regler 64 und dem Stellantrieb
62 sind ohne nachteilige Wirkung vertauschbar.
Das Stellsignal wird im Stellantrieb 62 der Schwingankerpumpe
30 zugeführt, die als bekannt vorausgesetzt wird.
Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Arbeitscharakteristik
der Schwingankerpumpe in Form einer Kennlinie
70, wobei auf der Abszissenachse die Speisespannung in
Prozent und auf der Ordinatenachse der Staudruck in
Prozent angegeben sind.
Die Fig. 5 zeigt die Arbeitscharakteristik des Stellantriebes,
wobei auf der Abszissenachse die Speisespannung
und auf der Ordinatenachse der Stellweg der Kolbenstange
34 angegeben ist. Die entsprechende Kennlinie 72 ist
doppelt ausgezogen, um darzustellen, daß in einem Abstand
74 eine Hysterese vorhanden ist.
Die Fig. 6 zeigt die zeitliche Arbeitscharakteristik
des Stellantriebes in Form von Kennlinien bei 50, 60,
70 und 80 Prozent der Speisespannung. Die Abszissenachse
ist in dieser Figur die Zeitachse, während auf
der Ordinatenachse der Stellweg in Prozent angegeben ist.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird nachfolgend die Wirkungsweise
des Stellantriebes erläutert. Wird an die
Zuleitung 32 ein elektrisches Wechselspannungssignal
geeigneter Frequenz und genügender Größe angelegt,
so beginnt die Schwingankerpumpe 30 zu arbeiten. Sie
saugt über die Ansaugöffnung 40 Hydraulikflüssigkeit
18 aus dem Vorratsraum 20 an und fördert diese durch
das Rückströmventil 28 und die Öffnung 42 in
den Arbeitsraum 24. Damit die geförderte Hydraulikflüssigkeit
dort Platz findet, muß sich der Kolben 14
mit der Rollmembran 16, dem Rückströmventil 28, der
Schwingankerpumpe 30 und der Kolbenstange 34 entsprechend abwärts in
Richtung des Führungslagers 36 bewegen. Diese Bewegung
findet solange statt, bis zwischen dem Förderdruck
der Schwingankerpumpe 30 bzw. der diesem entsprechenden Kolbenkraft
und der Gegenkraft der Rückstellfeder 26 Gleichgewicht
besteht.
Wird das elektrische Wechselspannungssignal in seiner
Größe verringert, wird der von der Schwingankerpumpe 30 erzeugte
Förderdruck gemäß deren Arbeitscharakteristik nach
Fig. 4 sinken. Der Druck im Arbeitsraum 24 ist dann
infolge der Gegenkraft der Rückstellfeder höher als
der Pumpendruck. In diesem Fall läßt das Rückströmventil
28 Hydraulikflüssigkeit 18 durch den Rückströmkanal
44 in den Vorratsraum 20 zurückfließen. Dabei
wird sich der Kolben 14 soweit zurückbewegen und die
Rückstellfeder 26 entlasten, bis erneut das Gleichgewicht
hergestellt ist.
Das Rückströmventil 28 gemäß Fig. 2 arbeitet dabei
wie folgt: Beginnt die Schwingankerpumpe 30 durch den
Kanal 52 Hydraulikflüssigkeit zu fördern, dann wird
zuerst die Membran 50 in ihrer mittleren Zone aufgewölbt,
bis sie am Ventilsitz 54 anliegt und den Rückströmkanal
44 verschließt. In der Folge wird die Membran 50
soweit in die Zwischenkammer 58 hinein aufgewölbt, bis die
Öffnungen 60 von der Stirnfläche der Schwingankerpumpe
30 abheben und Hydraulikflüssigkeit durch die
Öffnung 42 in den Arbeitsraum 24 (Fig. 1) gefördert
wird. Bei Gleichgewicht zwischen Kolbenkraft und Gegenkraft
der Rückstellfeder 26 hört die Förderung auf.
Der Druck vor und hinter der Membran 50 gleicht sich
infolgedessen nahezu aus, wobei sich die Membran 50
geringfügig vom Ventilsitz 54 abheben wird und eine
sehr kleine Leckmenge Hydraulikflüssigkeit durch den
Rückströmkanal 44 in den Vorratsraum 20 entweichen
kann.
Sinkt der Förderdruck der Schwingankerpumpe 30, so ist der Druck
im Arbeitsraum 24 höher und bewirkt, daß die Membran 50
in ihre Ruhelage zurückkehrt. Dabei hebt sie sich vom Ven
tilsitz 54 ab und gibt den Rückströmkanal 44 frei, durch
welchen nun Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsraum 20 zu
rückfließt, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt.
Empfindlichkeit und Durchflußmenge des Rückströmventils
28 lassen sich auf einfache Weise durch die entsprechende
Wahl der Abmessungen beeinflussen.
Die Schwingankerpumpe 30 ist vorzugsweise für eine Nenn
spannung 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 30% und 100% der Nennspannung auf
weisen. Dies kann in Form einer Änderung der Sinus-Span
nung, beispielsweise über einen Regeltransformator oder
durch Phasenanschnittsteuerung erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb wird die span
nungsabhängige stetige Arbeitscharakteristik der Schwing
ankerpumpe zur Erzielung einer stetigen Ver
stellbarkeit 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 rei
bungsarm bewegbare Membran 50 als Absperrorgan aufweist.
Die Verwendung der den Kolben 14 abdichtenden Rollmembran 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 Metall Faltenbälge
verwendet werden, welche reibungsfrei arbeiten. Die
Verwendung einer Rollmembran oder eines Faltenbalges sowie
die Ausführung des Rückströmventils mit Membran als ein
ziges bewegliches Element bilden wesentliche Voraussetzun
gen 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. Fer
ner gewährleisten die wenigen beweglichen Teile einen
weitgehend störungsarmen Betrieb.
Claims (8)
1. Elektrohydraulischer Stellantrieb für stetige
Regelung, mit einer elektromagnetischen Schwingan
kerpumpe (30) zur Erzeugung eines veränderbaren Drucks
in einer Arbeitskammer (24) in Abhängigkeit eines der
Schwingankerpumpe (30) in Form eines Wechselstrom
signals veränderbarer Spannung zugeführten Stellsig
nals, um ein Betätigungsglied (14) gegen die Kraft
einer Rückstellfeder (26) stetig zu verstellen und
mit einem Rückströmkanal (44) zwischen der Arbeits
kammer (24) und einer mit einer Hydraulikflüssigkeit
(18) gefüllten Vorratskammer (20),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückströmung durch den Rückströmkanal (44)
mittels eines Rückströmventils (28) in Abhängigkeit
von dem durch die Schwingankerpumpe (30) erzeugten
Pumpendruck steuerbar ist und daß das Rückströmventil
(28) ein Membranventil ist.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (50) des Rückströmventils (28) zwi
schen der Druckseite der Schwingankerpumpe (30) und
der Arbeitskammer (24) des Betätigungsglieds (14)
oder einer mit der Arbeitskammer (24) verbundenen Zwi
schenkammer (58) angeordnet ist und daß arbeitskam
merseitig ein mit der Membran (50) zusammenwirkender
Ventilsitz (54) angeordnet ist, dessen durch die
Membran (50) verschließbare Öffnung in den Rückström
kanal (44) mündet.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (50) abseits von der mit dem Ventil
sitz (54) zusammenwirkenden Stelle mindestens eine
Öffnung (60) aufweist, die bei der in der Ruhelage
gegen eine Fläche anliegenden Membran (50) durch die
se Fläche verschlossen ist.
4. Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckseite der Schwingankerpumpe (30) durch
einen Kanal (52) gebildet ist, welcher dem Ventil
sitz (54) in der Mitte der Membran (50) axial gegen
überliegt.
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 Schwing
ankerpumpe (30) mindestens teilweise innerhalb eines
als Betätigungsglied dienenden becherförmigen Kol
bens (14) montiert ist, dessen Kolbenstange (34) an
der Schwingankerpumpe (30) befestigt ist.
7. Stellantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der in einem zylindrischen Gehäuse (10, 12) ge
führte 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 der Arbeitskammer (24) entgegengesetzten
Seite des Kolbens der Vorratsraum der Hydraulikflüs
sigkeit (18) angeordnet ist.
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