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Hydraulische Steuereinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische
Servomotoren, bei welchen in einem die beiden Flächen. eines Differentialkolbens
verbindenden Kanal ein Ventil vorgesehen ist, und zwar insbesondere, aber nicht
ausschließlich zur Verwendung bei automatischen Flugzeugsteuerungen. Als Differentialkolben
wird in dieser Beschreibung ein Motor bezeichnet, bei welchem sich in einem Zylinder
ein Kolben bewegt, dessen gegenüberliegende Seiten verschiedenen Flächeninhalt haben,
wobei die kleinere Fläche bei Betrieb des Servomotors dauernd der Hochdruckflüssigkeit
und die andere Fläche einem -geringeren Flüssigkeitsdruck ausgesetzt ist, welcher
verändert werden kann, um die auf den Kolben ausgeübte resultierende Kraft in einer
Richtung wirken zu lassen, wobei die Kolbenbewegung in dem Zylinder geregelt werden
kann, indem man den kleineren Druck verändert. Der Kolben kann z. B. ,mit einem
Steuerruder eines Flugzeuges gekuppelt werden, und man kann die Flüssigkeit in
dem
System in Abhängigkeit von Steuerimpulsen regeln; um zwischen den auf die Kolbenflächen
einwirkenden Kräften einen Unterschied herbeizuführen, durch welchen der Kolben
und somit das Steuerruder in einer gewünschten Weise betätigt wird. Das Flugzeug
kann auf diese Weise entsprechend den Steuerimpulsen gesteuert werden.
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Automatische Flugzeugsteuerungen sind mit Einrichtungen versehe.,
durch welche das Flugzeug von Hand gesteuert werden kann, wobei man, wenn man nach
einer gewissen Zeit des Handbetriebes zu der automatischen Flugzeugsteuerung zurückkehren
will, den hydraulischen. Servomotor wieder mit einer Pumpe verbindet, welche die
Druckflüssigkeit liefert. Während des Handbetriebes treten häufig in dem System,
und besonders in dem Zylinder, Luftsäcke auf. Das Auftreten von Luftsäcken in dem
Syltern ist jedoch .reit erheblichen Nachteilen verbunden, weil ;die Luft, wenn
die autamatische Steuerung wiederaufgenommen und das System erneut an die Pumpe
angeschlossen wird, auf den, Druck der Flüssigkeit verdichtet wird. Die Verdichtung
der Luft braucht eine gewisse Zeit und verursacht eine Verzögerung, welche bei allen
Operationen des Systems, die mit einer Änderung dies Flüssigkeitsdruckes verbunden
sind, auftritt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die Bewegung des Kolbens
bei der Verdichtung der Luft, wenn. die ,automatische Steuerung zuerst eingeschaltet
wird, das Steuerruder aus seiner stabilen -Lage entfernt und einen heftigen Stoß
des Flug: zeuges verursacht.
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De l;rfindung bezweckt die Ausbildung einer Einrichtung, durch welche
das Gas; insbesondere die Luft, ,aus einem hydraulischen Servomotorsystem entfernt
wird. Demgemäß wird ein hydraulischer Servomotor, bei welchem in einem die beiden
Flächen eines Differentialkolbens verbindenden Kanal ein Ventil vorgesehen ist,
gemäß der Erflndung in der Weise ausgebildet, daß. das normalerweise durch eine
Vorspannung -geöffnete Ventil nur dann in die ßchließlage gebracht wird, wenn auf
die kleine Fläche des Kolbens ein -die Vorspannung überwindender Betriebsdruck einwirkt,
und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche Spülflüssigkeit mit einem zur Überwindung
der Vorspannung des Ventils nicht ausreichenden Druck durch den Zylinder schicken,
um etwa in. dem Zylinder vorhandenes Gas durch den Auslaß auszutreiben. Die Spülflüssigkeit
wird vorzugsweise gus derselben Quelle (z. B. einer Pumpe) zugeführt, welche auch
die Betriebsflüssigkeit liefert, wobei ein zwischen die Flüssigkeitsquelle und das
hydraulische System eingeschaltetes Drosselventil den .)Druck der Spülflüssigkeit
bis unter den normalen Flüssigkeitsdruck in dem System herabsetzt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Servomotor
in der Weise ausgebildet, daß ein normalerweise offenes Ventil. in einem Kanal,
welcher .die beiden Flächen des Kolbens verbindet, geschlossen wird, wenn (wäas
bei Betrieb des Motors der Fall ist) ein. großer Druckunterschied zwischen den auf
die Kolbenflächen einwirkenden Drücken auftritt, wobei durch .dieses Ventil, wenn
es geöffnet ist, Niederdruck$üssigkeit durch dien Zylinder ,strömen kann, um das
etwa in dem Zylinder vorhandene Gas auszutreiben.
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Normalerweise wird an ,der kleinen Fläche des Zylinders dauernd Hochdruckflüssigkeit
zugeführt, und der Kolben wird im Gleichgewicht in dem Zylinder sein, wenn ,der
Flüssigkeitsdruck an der großen Fläche zu .dem auf die kleine Fläche wirkenden Druck
im ,selben Verhältnis steht wie die kleine Fläche zu der großen Fläche. Üblicherweise
ist die kleine Fläche etwa halb so groß wie die große Fläche, so daß der Kolben
im Gleichgewicht sein wird, wenn .der Druck in der großen Zylinderleite etwa halb
so groß ist wie der Druck in der kleinen. Zylinderseite. Das Ventil wird geschlossen,
wenn der Druck in der kleinen Zylinderseite merklich größer ist als der Druck an
der großen Seite.
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Wen man nach einer gewissen Zeit der Nichtbenutzung den Servomotor
wieder in Betrieb nehmen will, wird, bevor die Hochdruckflüssigkeit dem Zylinder
zugeführt wird, Niederdruckflüssigkeit durch den Zylinder gepumpt, welche über ein
normalerweise geöffnetes Ventil, das bei Abwesenheit von Hochdruckflüssigkeit in
dem Zylinder offen ist, austritt. Wenn sich während der Zeit der Nichtbenutzung
in dem Motor Gas angesammelt hat, so wird dieses durch die Strömung der Niederdruckflüssigkeit
ausgetrieben, so daß, wenn die Hochdruckflüssigkeit wieder dem Motor zugeführt wird,
keine Gassäcke mehr'vorhande n sind.
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Als Niederdruckflüssigkeit wird in dieser' Beschreibung Flüssigkeit
mit einem Druck bezeichnet, welcher kleiner ist als der Druckunterschied, welcher
zwischen den Kolbenflächen erforderlich ist, um das -Schließen des Ventils herbeizuführen,
während als »große Druckdifferenz« Vine Druckdifferenz bezeichnet wird, die ausreichend
ist, um das Ventil zu schließen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles eines gemäß der Erfindung ausgebildeten
hydraulischen Servomotors für die den Steuerimuplsen entsprechende Betätigung eines
Steuerruders eines Flugzeuges.
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Fig. i der Zeichnung zeigt ein Schema des Systemas; Fig. z zeigt eine
Einzelheit des Systems in vergrößertem Maßstab.
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Das Steuerruder ist mit einer Achse i gekuppelt, welche an einem Ende
mit einer Seite a eines Kolbens 3 verbunden ist, der sich in einem Zylinder q. verschiebt.
Dies. Querschnittsfläche der Achse i ist etwa halb so groß wie der Zylinderquerschnitt,
so daß der Kolben 3 im Stillstand ist, wenn der Druck an der Seite z, d. h. an der
kleinen Seite des Zylinders q., etwa halb so groß .ist wie der Druck an der anderen
Seite 5, d. h. an der großen Seite des Zylinders q..
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Aus einer Pumpe 6 wird dem Zylinder q. Flüssigkeit mit einem Druck
von 7okg/cm2 zugeführt. Die Flüssigkeit wird über einen Kana17, ein Absperrventil
8
und Kanal 9 an der kleinen Seite des Zylinders direkt und an der großen Seite des
Zylinders über Kanal 7, Absperrventil 8, Kanal io, Regelventil i i und Kanal i z
zugeführt. Das Regelventil i i wird entsprechend den Steuerimpulsen so eingestellt,
daß ein veränderlicher Druckabfall in der dieses Ventil durchströmendem Flüssigkeit
bewirkt wird. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsdruck an der kleinen Seite des
Zylinders q. konstant auf 7o kg/cm2 gehalten, während der Druck an der großen Seite
etwas kleiner ist als dieser Wert, je nach der EinsteIIung des Regelventils i i.
In der ausgeglichenen Lage, wenn der Kolben 3 stillsteht, ist der Druck an der großen
Seite etwa 35 kg/cm2 und somit der Druckabfall in dem Regelventil 7o-3 5, d. h.
3 5 kg/cm2.
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Wenn das Steuerruder des Flugzeuges betätigt werden soll, weil z.
B. ein Steuerimpuls aus einer mit einem Steuerkreisel verbundenen Gebereinrichtung
eintrifft, wird der Steuerimpuls dem Regelventil i i zugeführt, welches so verstellt
wird, daß es den Druckabfall in der es durchströmenden Flüssigkeit verändert, um
den Druck an der großen Seite des Zylinders q. zu verändern und :den Kolben 3 in
der einen oder anderen Richtung zur Verstellung des Steuerruders :des Flugzeuges
zu verschieben. Das Steuerruder bewegt sich, bis der Kolben 3 durch eine Veränderung
des Flüssigkeitsdruckes an der großen Seite des Zylinders q. wieder zum Stillstand
kommt. Wenn eine stabile Lage erreicht ist, wird der Druck an der großen Seite wieder
3 5 kg/cm2 haben.
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Wenn das Flugzeug von Hand gesteuert werden muß, wird das Absperrventil
8 geschlossen, so daß dem Zylinder ¢ keine Flüssigkeit mehr zugeführt wird, und
es werden beide Enden zu dem Auslaß 13 über die Kanäle 9 und i ¢ bzw. de
Kanäle 12, 15
und i q. geöffnet, so daß der Kolben 3 sich leicht entsprechend
der Handsteuerung verstellen kann.
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Bei der Wiederaufnahme des automati:'siehen Betriebes kann es sein,
daß sich in dem System, und insbesondere in dem Zylinder q., Luft angesammelt hat.
Wenn das Absperrventi18 geöffnet ist, wird Flüssigkeit direkt in die kleine Seite
des Zylinders bei einem Druck von 7o kg/cm2 und über das Regelventil i i an die
große Seite des Zylinders, 4 strömen. Bevor die auf beide Seiten des Kolbens 3 einwirkenden
Kräfte gleich sind, muß die Luft in dem System bis auf den Flüssigkeitsdruck verdichtet
werden, und während dieser Zeit bewegt sich. der Kolben 3 entsprechend dem Ungleichgewicht
der auf seine Seiten einwirkenden Kräfte. Auf diese Weise wird das Steuerruder aus
seiner stabilen Lage entfernt, wodurch das Flugzeug einem heftigen Stoß erleidet.
Wenn eine Verstellung des Ruders erforderlich ist, muß die nötige Druckänderung
an der großen Seite des Zylinders q. auf den Kolben 3 durch Vermittlung der Luftsäcke
übertragen werden, und die Zeit, welche die Luft für die Ausdehnung oder Verdichtung
braucht, wirkt sich als unerwünschte Verzögerung der Steuerung aus.
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Damit die Luft aus dem System vor der Rückkehr zu J:em automatischen
Betrieb entfernt werden kann, ist gemäß der Erfindung ein Ventil 16 vorgesehen,
welches die - beiden Seiten des Kolbens 3 miteinander verbindet. Dieses Ventil ist
im vergrößerten Maßstab in Fig. z im Schnitt dargestellt. Das Ventil 16 ist so vorgespannt,
daß es normalerweise offen ist und den Durchgang der Flüssigkeit zwischen den beiden
Seiten des Zylinders q. gestattet. Wenn jedoch der Druck an der kleinen Seite des
Zylinders wesentlich größer ist als der Druck an der großen Seite (was bei normalem
Betrieb der Fall ist), ist die Druckdifferenz ausireichend, um das Ventil 16 geschlossen
zu halten, so daß die Flüssigkeit nicht von der einen Seite des Kolbens 3 zu der
anderen übergehen kann. Beispielsweise kann das Ventil so ausgebildet werden, daß
es geschlossen bleibt, wenn die Druckdifferenz zwischen den Seiten des Kolbens 3
größer ist als 5,6kg/om2. Die Pumpe, welche die Flüssigkeit zuführt, ist an die
kleine Seite des Zylinders über einen Kanal 17 angeschlossen, welcher ein
Drosselventil 18 enthält, um den Druck auf i, q. kg/cm2 herabzusetzen. Es wird also
bei Ingangsetzung der Pumpe 6 (auch bei: geschlossenem Absperrventil 8) Flüssigkeit
bei einem durch die Drossel 18 verminderten Druck in die kleine Seite des Zylinders
q. und über das Ventil 16 in die große Seite des Zylinders und vom dort über das
Regelventil i i in den Auslaß strömen. Das Ventil 16 wird offen sein, wenn im. der
kleinen Seite des Zylinders keine Flüssigkeit von hohem Druck vorhanden ist. Diese
Flüssigkeit spült das System aus, indem sie alle Luft, welche eingedrungen ist,
zu. dein Auslaß mitführt, so daß keine Luft mehr vorhanden ist, wenn das Absperrventil
8 geöffnet und das System wieder mit Flüssigkeit gefüllt wird.
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Damit die Spülflüssigkeit nicht direkt über das Absperrventil 8 zu
dem Auslaß 13 strömt, ohne durch den Zylinder ¢ zu gehen, ist der Kanal 9,
der von dem Absperrventil 8 zu dem Zylinder q. geht, mit einem Zwei-Wege-Rückschlagventil
19 ausgerüstet, d. h: einem Ventil, welches die Flüssigkeit in jeder Richtung
nur durchgehen läßt, wenn ihr Druck einen gewissen Druck -übersteigt, welcher größer
ist als der Druck der Spülflüssigkeit, aber kleiner als der normale Betriebsdruck
der Flüssigkeit (z. B. 3,5 kg/cm2).
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Wenn das Absperrventil 8 wieder geöffnet wird, . schließt die Hochdruckflüssigkeit
das Ventil 16, so daß das System für automatischen Betrieb, wie vorher, bereit ist.
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Wie ersichtlich, wird durch die Erfindung ein einfaches Verfahren
geschaffen, um Luft oder andere Gase aus dem hydraulischen System zu entfernen,
ein Verfahren, welches selbsttätig wirksam wird, ohne Rücksicht auf die Stellungen
der verschiedenen Ventile in dem System. Während der automatischen Flugzeugsteuerung
kann man die Spülflüssigkeit dauernd strömen lassen.
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Wenn auch die Erfindung in Anwendung bei einer automatischen Flugzeugsteuerung
beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern bei jeder
Art von hydraulischen Servosystemen anwendbar, bei welchen eine automatische
Steuerung
in unterbrochenem Betrieb benötigt wird.