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Mechanische Getriebeanordnung zur Bildung von Regelgrößen, vorzugsweise
für die Betätigung elektrischer Folgebewegungssteuerungen oder mechanischer Kraftverstärker
Bei Steuerungen zur Verstellung von Gegenständen in Abhängigkeit von der Verstellung
eines Gebers, den sogenannten Folgebewegungssteuerungen, die also nach dem Wegsteuerprinzip
arbeiten, werden häufig Hilfsregelgrößen benutzt, welche die Dämpfung oder Entdämpfung
des Regelvorganges bzw. der Nachsteuerung beeinflussen sollen. Das gleiche gilt
auch für beliebige sonstige Regelanordnungen. Es besteht bei solchen Steuer- und
Regelschaltungen der Nachteil, daß die zur Erzeugung der Hilfsregelgrößen erforderlichen
Regelzusätze in Form besonderer Hilfsgeräte vorgesehen sein müssen, welche beispielsweise
elektrische Ströme oder Spannungen mit entsprechender funktioneller Abhängigkeit
von den ursprünglichen Regelgrößen, beispielsweise den Verstellgeschwindigkeiten
oder Verstellwegen von Geber und Empfänger, liefern. So ist z. B. eine Gleichlaufregelanordnung
bekannt, bei der die Grundsteuergröße als Differenz zwischen dem Soll- und Istwert
der zu regelnden Drehzahl mit Hilfe eines Differentialgetriebes gewonnen wird, auf
welches sowohl die Sollgeschwindigkeit als auch die jeweilige Istgeschwindigkeit
übertragen wird; zur Gewinnung einer aus der Grundsteuergröße abgeleiteten Hilfssteuergröße
ist mit der Ausgangswelle des Differentials eine Tachometermaschine
gekuppelt,
welche über einen Transformator auf den Regelstromkreis der zu regelnden Maschine
einwirkt. Bei einer anderen bekanntenRegelanordnung, diealsFolgebewegungssteuerung
arbeitet, wird der zu verstellende Gegenstand in Abhängigkeit von der Bewegung eines
Gebers unter Verwendung eines Leonardantriebes nachgesteuert; die Erregung des Leonardgenerators
erfolgt dabei einerseits durch einen Strom, dessen jeweiliger Wertentsprechend dem
Stellungsunterschied zwischen Geber und Empfänger einstellbar ist; in einer oder
zwei weiteren Erregerwicklungen wird außerdem noch eine geschwindigkeitsabhängige
Zusatzregelgröße wirksam, die der Differenz zwischen Geber- und Empfängergeschwindigkeit
entspricht und mit Hilfe je einer mit dem Geber und dem Empfänger gekuppelten Tachometermaschine
gewonnen wird. Abgesehen davon, daß die erstgenannte Anordnung lediglich für Gleichlaufregelungen
mit dauernd umlaufender Welle brauchbar ist, sind diese bekannten Einrichtungen
dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Dämpfungsregelgröße mit Hilfe besonderer
Einrichtungen, wie Tachometermaschinen, Transformatoren u. dgl., gewonnen werden
muß und unter Umständen auch auf getrennten Wegen (getrennte Erregerwicklungen)
wirksam gemacht wird. In den benötigten Tachometermaschinen, Transformatoren usf.
entstehen zusätzliche Umsetzungsverluste ebenso wie in den zusätzlichen Stromkreisen.
Auch bedingt die Erzeugung der Hilfsregelgrößen auf solchen Wegen oft einen zusätzlichen
Aufwand beispielsweise an Getrieben, vor allem bei der Bildung der Regelgröße entsprechend
der Gebergeschwindigkeit, wenn etwa an Stelle einer Handkurbel ein unmittelbar übersetzendes
Handrad zur Gebereinstellung dienen soll. Im Interesse einer einfachen Ausbildung
von Geber- und Empfängereinrichtungen werden daher derartige Zusätze vielfach ganz
weggelassen, was natürlich auf Kosten der Steuereigenschaften des Gesamtsystems
geht.
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Die Erfindung betrifft nun ein mechanisches Getriebe, welches aus
einer als Unterschied zwischen Sollwert und Istwert mechanisch vorgegebenen Grundsteuergröße
und einer durch zeitliche Ableitung der Grundsteuergröße gewonnenen Hilfssteuergröße
den gewünschten Regelwert bildet, ohne daß hierzu getrennte Tachometermaschinen,
elektrische Differentiatoren od. dgl. erforderlich sind; die Getriebeanordnung nach
der Erfindung benutzt ebenso wie die eine der obenerwähnten bekannten Anordnungen
ein Differentialgetriebe, auf welches der Sollwert und der Istw ert übertragen wird.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Getriebeanordnung
zur Bildung der gewünschten Regelgröße aus drei in Reihe geschalteten Differentialgetrieben
besteht, von denen das erste entsprechend der jeweiligen Winkelstellung des Gebers
und des Empfängers beeinflußt wird und an der Ausgangswelle deren Winkeldifferenz
liefert; das zweite Differentialgetriebe wird erfindungsgemäß von der Ausgangswelle
des ersten Differentialgetriebes einerseits und von einem Hilfsmotor andererseits
angetrieben, dessen Geschwindigkeit nach Maßgabe der Einstellung des Planetenelements
des zweiten - Teildifferentials steuerbar ist, und das dritte Differentialgetriebe
erhält seinen Antrieb von den Ausgangswellen der beiden ersten Differentialgetriebe
und bildet die Summe der Winkelwerte dieser beiden Wellen; der am Ausgang des dritten
Differentialteilgetriebes abnehmbare Drehwinkelwert entspricht daher dem gesuchten
Regelwert
- a2), wenn die eingeführten Winkelstellungen des Gebers und des Empfängers mit
a1 bzw. ü2 bezeichnet werden.
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Nach der Erfindung wird also zur Gewinnung der gewünschten Regelgröße
lediglich einer geschlossenen Getriebeeinheit der Drehwinkelwert von Geber und Empfänger
zugeführt und am Ausgang dieser Einheit der Regelwert einschließlich der entsprechenden
Dämpfungsgrößen zur Verfügung gestellt. Die Bildung der gesuchten Regelgröße wird
mittels dieses Getriebes also auf einen mechanisch erfolgenden Rechenvorgang zurückgeführt.
Ist das Getriebe beispielsweise baulich mit dem Empfänger vereinigt, so kann der
entsprechend dem Winkel a2 zu bewegende Getriebeteil unmittelbar mit der Verstellwelle
gekuppelt werden, während der mit dem Verstellwinkel a1 zu bewegende Getriebeteil
beispielsweise mit einem Hilfsmotor gekuppelt wird, der sich über eine verzögerungsfreie
Cbertragungseinrichtung bekannter Art entsprechend den Geberbewegungen verstellt.
Es sind darüber hinaus aber auch Fälle möglich, wo etwa lediglich zur Kraftverstärkung
eine Folgesteuerung ohne Überbrückung irgendwelcher Entfernungen verwendet wird.
Hierbei können selbstverständlich beide Eingangswellen des den Erfindungsgedanken
verkörpernden Getriebes unmittelbar mit den Verstellwellen gekuppelt sein.
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Das Getriebe nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus drei in
Reihe geschalteten und zweckmäßig koaxial angeordneten vollständigen Differentialgetrieben,
von denen das erste, zweckmäßig in der Mitte angeordnete Differentialgetriebe die
Differenz der Stellungsunterschiede von Geber- und Empfängerwelle, das zweite zusammen
mit einem nach Maßgabe der Einstellung des Planetenelements jeweils nachgesteuerten
Hilfsverstellmotors an seinem Ausgangsglied eine Winkelstellung liefert, die der
zeitlichen Änderung des jeweils vorhandenen Stellungsunterschieds entspricht, und
das dritte
Differentialgetriebe, welches von den Ausgangsgliedern
der beiden erstgenannten Getriebe beeinflußt wird, die Summe der dort ermittelten
Größen ebenfalls in Form einer Winkelstellung bildet.
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Die am Endglied des Gesamtgetriebes sich jeweils einstellende Winkellage
ist dem gesuchten Regelwert
proportional und kann zur Betätigung eines Reglers unmittelbar oder auch durch Kupplung
mit einer elektrischen Maschine zur Erzeugung einer elektrischen Regelgröße entsprechender
Höhe dienen. Das die Geschwindigkeitsgrößenbildende Teildifferential arbeitet in
an sich bekannter Weise mit dem Hilfsmotor derart zusammen, daß dieser das eine
Sonnenrad jeweils gegensinnig zu der von außen eingeleiteten Bewegung des anderen
Sonnenrades antreibt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die in Abhängigkeit von
der jeweiligen durch die Bewegung der beiden Sonnenräder sich ergebenden Stellung
des Planetengliedes des Differentials etwa mit Hilfe eines Potentiometers eingestellt
wird, dessen Abgriffkontakt mit diesem Planetenglied gekuppelt ist.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise erläutert
werden. Das die Erfindung verkörpernde Regelgetriebe besteht aus den drei Teildifferentialen
i, 2 und 3, die -im Ausführungsbeispiel auf der gleichen Grundachse angeordnet
sind und so einen besonders gedrängten und zweckmäßigen Aufbau des Gesamtgetriebes
erlauben. Im Differentialgetriebe i bzw. seinen Sonnenrädern ii und i2, welche mit
Hohlwellen 16 und 17 verbunden sind, werden über die damit gekuppelten Stirnräder
14 und 15 in der eingangs beschriebenen Weise von außen her die beiden jeweils vorhandenen
Grundbewegungen der Verstellwellen zugeführt, d. h. das Rad 1q. bzw. ii wird jeweils
entsprechend der Winkellage a1 des Gebers und das Rad 15 bzw. 12 jeweils entsprechend
der Winkellage a2 des Empfängers eingestellt. Die Stirnräder 1q. und 15 sind mit
ihrem Antrieb so gekuppelt, daß sie bei gleichlaufender Bewegung von Geber und Empfänger
gegensinnig umlaufen. Das Planetenglied 13 des Getriebes i wird sich daher stets
auf eine Winkellage einstellen, die der Differenz der beiden Einstellwinkel a1 -
ce, entspricht. Dieses Planetenglied 13 ist über eine in den Hohlwellen 16, 17 drehbar
gelagerte zweite Hohlwelle 18 mit je einem Sonnenrad 31 bzw. g2 der beiden weiteren
Teildifferentialgetriebe 2 und 3 gekuppelt, die demnach ebenfalls entsprechend der
j eweiligen Stellungsdifferenz a1 - a2 verstellt werden.
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Das Teilgetriebe 2 arbeitet in an sich bekannter Weise als Differentiator.
Zu diesem Zweck ist das zweite Sonnenrad 21 beispielsweise über ein Stirnradgetriebe
40, '41 mit einem Hilfsmotor q. gekuppelt, der das Sonnenrad 21 jeweils gegensinnig
zum Sonnenrad 22 antreibt. Die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit dieses Verstellmotors
wird beispielsweise in Geschwindigkeitsregelschaltung durch ein Potentiometer5 bestimmt,
dessen Abgriffkontakt 51 etwa über ein Stirnradgetriebe 52, 53 mit der Hauptwelle
6 des gesamten Differentialgetriebes gekuppelt ist. Die Welle 6 erhält ihre Einstellung
durch das Differential 2, da sie mit dem Planetenglied 23 dieses Teilgetriebes fest
verbunden ist.
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Wird also das Sonnenrad 22 laufend mit einer bestimmten Geschwindigkeit
gedreht (das würde bedeuten, daß der Winkelunterschied a1 - a. zwischen Geber und
Empfänger sich laufend ändert), so wird, wenn man zunächst annimmt, daß der Potentiometerkontaktarm
51 auf dem Nullkontakt 52 des Spannungsteilers ruht und daß demzufolge der Verstellmotor
q. stillsteht, das Planetenglied 23 und damit die Welle 6 eine entsprechende Bewegung
ausführen. In diesem Augenblick wird jedoch infolge der Kupplung über das Getriebe
52, 53 der Potentiomterkontakt 51 ausgelenkt, und zwar in dem Sinne, daß am Verstellmotor
q. eine zur Drehung des Sonnenrades 23 gegensinnige Drehung des Sonnenrades 21 eingeleitet
wird. Solange diese gegensinnige Bewegung langsamer erfolgt als die Drehung des
Sonnenrades 22, bewegt sich das Glied 23 und damit die Welle 6 mit der Differenzgeschwindigkeit
im Sinne einerweiteren Auslenkung des Potentiometerabgriffs 5, und damit
einer Erhöhung der Abgleichgeschwindigkeit des Rades2i. Das Planetenglied 23 wird
also zur Ruhe gelangen, sobald die am Potentiometer 51 eingestellte Geschwindigkeit
des Hilfsmotors q. und damit die Umlaufgeschwindigkeit des Rades 21 derjenigen des
Rades 22 entspricht. Jeder Drehgeschwindigkeit des Rades 22 ist demnach eine eindeutige
Potentiometerstellung des Armes 51 und damit auch eine eindeutige Stellung der Welle
6 zugeordnet, nämlich jeweils diejenige Winkellage, die der Änderungsgeschwindigkeit
des Stellungsunterschiedes zwischen Geber und Empfänger entspricht.
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Über die Welle 6 und das Sonnenrad 32 bestimmt diese Winkelstellung
die zweite Eingangsgröße des dritten Teilgetriebes 3, und da, wie aus der Zeichnung
hervorgeht, positive Stellungsunterschiede und positive Änderungsgeschwindigkeiten
dieser Stellungsunterschiede jeweils Drehungen der Wellen 18 bzw. 6 in gleichem
Sinne hervorrufen, wird im Teilgetriebe 3 am Planetenglied 33 die Summe dieser beiden
Winkellagen gebildet. Das Planetenglied 33 kann zweckmäßig über eine Brücke 34 und
eine Hohlwelle 35 mit dem eigentlichen
Regeltrieb 36 gekuppelt
sein, von dem die Betätigung des Reglers oder einer elektrischen Umwandlungseinrichtung
nach Maßgabe der den gesuchten Regelvorgang einschließlich aller Zusätze bestimmenden
Regelgröße beeinflußt wird.
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Das Differentialgetriebe nach der Erfindung kann aus seiner Zweckbestimmung
als reines Regelgetriebe heraus nach Art eines Uhrwerkgetriebes ausgebildet sein
und wird zweckmäßig aus Einzelteilen hergestellt, die so leicht wie nur möglich
sind. Es kann dann auch in räumlich sehr gedrängtem Aufbau hergestellt werden und
benötigt für die Hilfsverstellung durch den Motor q. nur einen Antrieb von vergleichsweise
sehr geringer Leistung.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, daß für Antriebe, wo auf größte
Einfachheit und Übersichtlichkeit im Aufbau Wert gelegt werden muß, die Bildung
der notwendigen Regelgrößen einheitlich zusammengefaßt ist, so daß die angeschlossene
eigentliche Regelschaltung einen sehr einfachen und übersichtlichen Aufbau erhalten
kann. Auch räumlich und baulich gesehen ergeben sich wesentliche Vorzüge, da die
gesamte Regeleinrichtung aus wenigen kompakten Einzelelementen ohne viele Schaltungsverbindungen
aufgebaut werden kann.
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Die beschriebene Regeleinrichtung ist, wie schon oben erwähnt wurde,
in ihrer Anwendung nicht nur auf solche Anlagen beschränkt, wo ein Folgeantrieb
über größere Entfernungen verlangt wird. Sie kann auch vorteilhafte Dienste tun,
wenn sie zusammen mit elektrisch-mechanischen Kraftverstärkerschaltungen angewendet
wird. So kann z. B. zweckmäßig das beschriebene Dreifachdifferentialgetriebe an
Stelle eines normalen, einfachen Differentialgetriebes Verwendung finden, welches
einerseits von einem Steuerglied aus und andererseits von einer mit dem Verstellmotor
eines Verstellantriebes gekuppelten Welle aus angetrieben wird und dessen drittes
Glied die Bürstenbrücke des Verstellmotors jeweils nach Maßgabe des Drehzahl- und
Stellungsunterschiedes zwischen der steuernden und der gesteuerten Welle aus der
neutralen Ruhelage so lange verschiebt, bis die Bürstenverschiebung durch das Nachlaufen
des Verstellmotors wieder rückgängig gemacht ist. Durch die Anwendung der Erfindung
wird gerade bei solchen Einrichtungen am besten der Vorteil pendelungsfreier Einstellbewegungen
erreicht.