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Drehmomentverstärker Die moderne Technik verlangt oft Steuerungen
hoher Leistung, deren Betätigung durch Organe kleiner Leistung erfolgt, wie z. B.
bei Kränen, Teleskopen, Waffenständen und Drehtürmen für Kanonen, Steuerungen von
Kraftwagen usw; Alle diese Geräte verlangen bedeutende Drehmomente, um in Bewegung
gesetzt zu werden, müssen jedoch vom Bedienungspersonal ohne große Kraftaufwendung
gesteuert werden können, und zwar unter allen Bedingungen, die in Frage kommen;
sei es bei großer und kleiner Geschwindigkeit, großer und kleiner Beschleunigung
usw. Deshalb ergibt sich die Notwendigkeit, auf dem Kommandostand einen Drehmomentverstärker
zu haben, welcher die folgenden Bedingungen erfüllt: i. Die Kommandowelle und die
Kraftwelle des Verstärkers führen synchrone Bewegungen aus. a. Einer gegebenen Geschwindigkeit
der Kommandowelle entspricht .die gleiche Geschwindigkeit auf der Motorwelle.
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3. Das Verstärkerverhältnis zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsdrehmoment
ist so groß wie möglich zu gestalten.
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4. Das Gewicht und die Abmessungen der Einrichtung sollen so klein
wie möglich sein.
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Unter den möglichen Lösungen für Drehmomentverstärker nach elektrischen,
mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Verfahren kann der hydraulische Drehmomentverstärker,
der der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, allein einen Verstärkungsfaktor
von io ooo : i geben bei einem Leistungsgewicht von 0,5 kg/kW.
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Die Größe des Verstärkungsfaktors hängtwesentlich von dem Drehmoment
ab, das zum Bewegen
der Eingangswelle nötig ist. Da diese Eingangswelle
bestimmungsgemäß den ölstrom zu einem hydraulischen Motor steuern muß, ist also
das Betätigungsmoment für den Steuerschieber von Bedeutung.
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Man hat nun bereits vorgeschlagen, für die Steuerung Drehschieber
zu benutzen, die hydrostatisch entlastet sind (s. C. R. Himmler, Jahrbuch r942 der
deutschen Luftfahrtforschung, S.11196 bis 11I98). Es ist aber bekannt, daß eine
statische Entlastung das Drehmoment nicht genügend herabsetzen kann, da die Oberfläche
von gleitenden Steuerzylindern selbst bei voller Symmetrie `nie-. mals unter gleichmäßigem
Druck in den Dichtungsspalten steht, wodurch an vielen Stellen die Flüssigkeitsreibung
in Mischreibung übergeht.
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Im USA.-Patent 2 349 641 ist vorgeschlagen, diesen Mangel dadurch
zu beseitigen, daß man den Steuerschieber auf Wälzlager setzt. Dadurch ist der Mangel
aber nur dann zu beheben, wenn das Spiel in den Wälzlagern kleiner ist als die notwendige
Dichtentfernung zwischen Steuerzylinder und Steuerhülse. Dies ist aber nur möglich,
wenn man auf einwandfreie Dichtstrecken verzichtet und somit eine ungenügende Präzision
der Ölsteuerung um die Nullage in Kauf nimmt.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß auch die Strömungseffekte des gesteuerten-
Öls auf den Schieber bei dieser Anordnung nicht genügend herabgesetzt werden können,
um das Drehmoment. in Größe der normalen Regung zu halten.
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Vorliegende Erfindung schlägt nun vor, diese Mängel dadurch zu beheben,
daß der Eingangsschieber nur vernachlässigbar kleine, und zwar kleinere Olsträme
zu beherrschen hat, als für die Steuerung des Kraftmotors nötig sind, indem der
Eingangsschieber einen Hauptschieber steuert, der den eigentlichen Kraftmotor beeinflußt,
wozu nur winzige Ölmengen undgeringe Differenzdrücke nötig sind.
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Der Drehmomentverstärker gemäß vorliegender Erfindung besteht im wesentlichen
aus drei koaxial angeordneten Zylindern, von denen der erste mit der Eingangswelle
und der dritte mit der Kraftwelle verbunden ist. Der erste Zylinder steuert den
Servomotor des zweiten Zylinders und dieser den Kraftmotor. Dadurch wird bei einer
Drehbewegung des inneren Steuerschiebers der mittlere Steuerschieber die gleiche
Bewegung relativ zum äußeren Schieber machen, der ja mit dem zweiten Servomotor
gekuppelt ist. Die relative Bewegung, zwischen mittlerem und äußerem Schieber ist
dann proportional der verlangten Steuergeschwindigkeit des zweiten Servomotors,
ohne daß der innere Steuerschieber den Wirkungen des Hauptölstromes unterliegt.
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Der Hauptservomotor wiederholt also die Bewegungen des Bersten Steuerschiebers
synchron mit einer geringfügigen Phasenverschiebung, ohne daß das Drehmoment, die
Drehgeschwindigkeit usw. am inneren Schieber fühlbar sind, was aber nichts anderes
bedeutet; als daß die größtmögliche Verstärkung erzielt wird. Praktische Ergebnisse
haben gezeigt, daß . mit diesem System Eingangsmomente von 30 gcm erzielbar
sind. Abb. i stellt schematisch die Anordnung eines solchen Drehmomentverstärkern
dar..
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Der Stellmotor 4 ist von bekannter Ausführung (Radialkolbenmotor,
Axialkolbenmotor, Zahnradmotor, Schraubenmotor, Zylinder usw.) und wird deshalb
nicht besonders beschrieben. Er kann beliebig ausgeführt sein, ohne das Wesen der
Erfindung. zu berühren.
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Abb. 2 stellt einen Axialschnitt durch den Servoteil des zweistufigen
Verstärkers dar, Abb. 3 einen Radialschnitt AB von Abb. 2, Abb. ¢ einen Radialschnitt
AC von Abb. 2, Abb. 5 einen Radialschnitt EF von Abb. 2.
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Der in Abb. i schematisch dargestellte Drehmomentverstärker besteht
aus einem Drehschieber i, seinem Servomotor 21, dem mittleren Schieber i8; seinem
Servomotor 4, dem äußeren Schieber 8, seinem Gehäuse 9 und den vier Leitungen
OB (Rücklauf), OP (Druckölzulauf), 0M, 0M (Arbeitsöl zum zweiten Servomotor)
sowie der Rückmeldewelle 6 des zweiten Servomotors.
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Eine- Drehung des Drehschiebers i über die Welle 2 verursacht mit
Hilfe des Servomotors 21 eine gleiche Drehung des Schiebers=i8,wodurch der Motor
q. bis zur Ausführung der gleichen Drehung bewegt'-Wird und mit deren Beendigung
den dritten Schieber 8 in überdeckung bringt, wodurch die Bewegung der Kraftwelle
5 aufhört. Die Drehung kann dabei in beiden Richtungen erfolgen, andauern, aufhören,
wechseln, immer werden die Wellen 2 und 5 mit einer geringen Phasenverschiebung,
aber großen Momentverstärkung synchron laufen. Die entsprechenden Steuerbewegungen
erfolgen so schnell, daß ein Synchronismus bis zu 5o Hz möglich wird. Die Momentverstärkung
beträgt etwa i :. io ooo.
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Die Abb. 2, 3, 4, 5 beziehen sich auf die Verwirklichung des Servoteils
gemäß der Erfindung. Wir finden in Abb. 2 den Drehschieber i wieder, welcher in
dem mittleren Schieber 18 auf Wälzlagern 12 gelagert ist, sowie den mittleren'Schieber
18, der in dem äußeren Schieber 8 auf Wälzlagern 12' gelagert ist. Der äußere Schieber
8 ist in einem Gehäuse 9 drehbar. Das Gehäuse trägt vier Anschlüsse. für den Ölkreis.
OB für den Rücklauf, OP für das Drucköl, welches von einer nicht dargestellten
Pumpe geliefert wird, und 0M, 0M für die Verbindungen zum zweiten Servomotor.
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Der zweistufige Verstärker der Abb. 2 hat eine Kommandowelle 2 und
.eine kückführwelle 6, die mit dem nicht dargestellten Stellmotor verbunden ist.
Die Welle :2 betätigt einen kleinen zylindrischen Drehschieber i, in welchem man
zwei Löcher T i und T ä vorgesehen hat, sowie eine geeignete Ausfräsung,
wie sie in den Schnitten der Abb. 3 und 4 dargestellt ist. Dieser kleine Drehschieber
ist auf Wälzlagern 12 montiert und gleitet innerhalb des Zylinders 18, in den man
die Kanäle C i und C 2 gebohrt hat; und zwar in der Höhe :der Fräsungen des kleinen
Drehschiebers i, sowie Fräsungen 3 und 3' auf einer anderen Höhe (Abb. 5), wo diese
eine
Art von Kreuz bilden. Auf dem Zylinder i8 hat man =mittels der Schraube 28 zwei
zylindrische Sektoren 2o und 2i befestigt, welche die Kanäle C3 C q. besitzen, die
jeweils in die Kanäle C i und C2 des Zylinders 18 münden. Mit den Sektoren 2o, 21
des Zylinders i8 stehen die Sektoren q.' in Wirkungsverbindung, welche an dem äußeren
Zylinder 8 angeordnet sind, auf dessen Umfang man die Kanäle GP und
GM vorgesehen hat, welche in Verbindung stehen mit den Kanälen CP und
CM und somit auch mit den Kammern 3 und 3' des Zylinders 18. Ein konzentrischer
Zylinder i9 bedeckt die Öffnungen, in welchen sich die Sektoren 2o und 21 bewegen
können. Ein äußeres Gehäuse 9, welches die -Deckel 22 und 23 trägt, die mit Dichtungsringen
24 und 13 versehen sind, schützt das Ganze und trägt außerdem dieAnschlußöffnungen
OP, 0111 und OB. Die Öffnungen OH sind mit dem hydraulischen
Stellmotor in Verbindung, dessen Rückführwelle mit Welle 6 identisch ist. Die Öffnung
OP
steht mit der Pumpe und die Öffnung OB mit der Abflußleitung in
Verbindung. Der ringförmige Raum G'B', welcher sieh zwischen der Hülse i9 und dem
Gehäuse 9 befindet, steht in Verbindung mit der Öffnung OB, d. h. mit der
Abflußleitung. Die Anschlußöffnung O P für die Druckflüssigkeit steht mit dem zentralen
Kanal GP in Verbindung, während die Öffnungen 0M mit den Kanälen GM
kommunizieren.
Ein Kanal P schafft eine Verbindung zwischen dem Kanal GP und den Kammern L und
M, welche zwischen den beweglichen Sektoren 2o und 21 . und dem Zylinder 8 liegen.
Der Kanal P mündet nämlich in die Rundrille 9, die mit einer gewissen Drosselung
die Kammern L und M unter Druck setzt. Man erkennt ferner die Kanäle GB, welche
den Zylinder 8 in Längsrichtung durchsetzen. Ferner sieht man die Anordnung dieses
Zylinders 8 auf Kugellagern 12' und das Stück 27, welches eingesetzt ist, um die
Kugellager zu halten und die Öffnungen 3 und 3' voneinander zu trennen (Abb.5).
Das axiale Loch D dieses Einsatzstückes verbindet die Löcher T i und T2 des kleinen
Drehschiebers i mit dem Raum, der zwischen dem Deckel 22 und dem Zylinder 8 liegt.
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Auf dem Zylinder 8 ist ein Flansch befesti=gt, der mit der Weile 6
in Verbind=ung steht, die, wie bereits erwähnt, die Rückführwelle des hydraulischen
Stellmotors bildet.
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Zusammenfassend besteht das Gerät also aus einem Drehschieber i, seiner
Rückführhülse 18, die durch den Drehkolben 2o, 21 betätigt wird. Die Rückführhülse
18 ist gleichzeitig Steuersohireber für den zweiten Servoteil, dessen Rückführhülse
mit B bezeichnet ist, die von der Welle 6 gedreht wird. Jede Drehung der Welle 2
w=ird also auf den Drehschieber 18 übertragen, wodurch der Motor zum Laufen kommt
und die Rückführhülse 8 in eine synchrone Stellung bringt.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folg=ende: Durch Einwirkung
auf die Welle :2 dreht man den kleinen Drehschieber i z. B. in einern solchen Sinn,
daß der rechte Kanal C 3 Verbindung bekommt mit der Fräsung, welche das Loch T i
trägt; infolge der symmetrischen Ano=rdnung wird gleichzeitig der linke Kanal Cq.
mit T2 verbunden. Das Drucköl,welches in- dem Kanal GP ankommt, den Kanal P passiert
und somit d=ie Nut 9 unter Druck setzt, hatte vorher die Kammern L und M gefüllt.
Da man soeben den Drehschieber i ,gedreht hat, verschwindet der Druck in den Kammern
L und gleicht sich über die Kanäle T i, D, GB (s. Abb. 2), die Kammer
GB' und die Abflußleitung OB aus. Es entsteht somit eine plötzliche Drucksenkung
in den Kammern L, und der Druck, welcher immer noch in den Kammern M herrscht, verschiebt
die Sektoren 2o und 21 in einer Richtung, die die Kanäle CM und CP in Verbindung
setzt (Abt. 5). Über die Kanäle CM gelangt das Öl zu den Rundkanälen GM und
von dort durch die Öffnung 0M zum Stellmotor q.. Das vom Stellmotor zurückkehrende
Öl fließt durch die andere Öffnung 0M, welche in den anderen Rundkanal GM mündet,
passiert die Kanäle CM und die Kammern 3', welche sich in Verbindung mit den Öffnungen
CB befinden, die über die Kanäle GB in die Kammer G'B' und von dort in die
mit der Abflußleitung verbundene Öffnung OB führen. Der hydraulische Stellmotor,
der somit in Bewegung gesetzt wird, führt dabei .durch die Welle 6 den Zylinder
8 im gleichen Sinne mit, so daß dieser am Ende wieder die gleiche Stellung zum Schieber
18 einnimmt wie vor Beginn der Bewegung, d. h. die Ölströmung anhält.
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Man findet somit zweimal dasselbe Prinzip angewendet, woraus sich
die Bezeichnung Drehmomentverstärker in zwei Stufen erklärt. Diese Anordnung von
zwei Verstärkern in Serie erlaubt es, mit äußerst schwachen Drehmomenten an der
Welle 2 auszukommen.
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Die Öffnungen, welche durch die Fräsungen auf den Schiebern und Zylindern
entstanden sind, sind derartig geformt, daß sie eine große Veränderung des Öffnungsquerschnittes
bei einer geringen Veränderung des Drehmomentes zur Folge haben und Schwingungen
zwischen Stellmotor und Servoteil verhindern.