EP0054619A1 - Actuator with differential piston - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Servomotor mit Differentialkolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Nach der Schweizerischen Patentschrift 528 693 ist ein solcher Servomotor in Anwendung auf ein eigenmediumgesteuertes Ventil gezeigt, wobei sowohl die zylindrische erste Kamτer wie auch die dieser bezüglich des Kolben gegenüberliegende rinqförmige zweite Kammer mit einer Quelle hohen Druckes sowie einer Senke für das Druckmedium verbunden sind. Bei diesen Ventilen handelt es sich vorzugsweise um Sitzventile, die zuverlässiger sind als Schieber und besser dichten als jene. Die bekannte Schaltung benötigt eine relativ grosse Anzahl von Sitzventilen die, insbesondere wenn es sich um einen kleinen Servomotor handelt, verhältnismässig viel kosten und erheblichen Raum einnehmen.The invention relates to a servo motor with differential piston according to the preamble of claim 1. According to the Swiss patent specification 528 693, such a servo motor is shown applied to a valve controlled by its own medium, both the cylindrical first chamber and the ring-shaped second chamber opposite it with respect to the piston a source of high pressure and a sink for the pressure medium are connected. These valves are preferably seat valves, which are more reliable than slides and seal better than those. The known circuit requires a relatively large number of poppet valves which, especially if it is a small servo motor, cost a relatively large amount and take up considerable space.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Gesamtkosten des Servomotors zu senken und den Raumbedarf zu vermindern. Diese Aufgabe wird durch die Massnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Der beschrittene Lösungsweg bringt den zusätzlichen Vorteil, dass mit der Verminderung der Anzahl der Steuerventile die Betriebsicherheit des Servomotors erhöht wird. Als Nachteil ist allerdings in Betracht zu ziehen, dass für eine bestimmte Hubkraft des Servomotors dessen Durchmesser nicht unerheblich vergrössert werden muss. Bei Servomotoren kleinerer Abmessungen spielt dieser Nachteil, verglichen mit der Einsparung an den Sitzventilen,jedoch nur eine untergeordnete Rolle.It is an object of the invention to reduce the overall cost of the servo motor and to reduce the space requirement. This object is achieved by the measures according to the characterizing part of claim 1. The approach taken has the additional advantage that with the reduction in the number of number of control valves the operational safety of the servo motor is increased. As a disadvantage, however, it must be taken into account that the diameter of the servomotor must be increased considerably for a certain lifting force. In the case of servomotors of smaller dimensions, this disadvantage plays only a minor role compared to the savings on the seat valves.
Durch die Massnahmen gemäss Anspruch 2 wird die Betriebssicherheit des Servomotors für den Fall einer Störung der Druckmittelzufuhr erhöht.The measures according to
Die Erfindung gestattet durch Anwendung der Merkmale nach Anspruch 3 mit einfachsten Mitteln die Hubgeschwindigkeit des Servomotors für beide Richtungen gleichzumachen.The invention allows the stroke speed of the servo motor to be made the same for both directions by using the features of claim 3 with the simplest means.
Anspruch 4 lehrt die Anwendung mindestens eines sekundären Ventils, das in ausserordentlichen Fällen benützt wird.
Anspruch 5 zeigt, wie durch Anordnunq eines Druckmittelspeichers, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Servomotors, dessen Betriebsicherheit weiter verbessert werden kann.
Die Erfindung wird nun an zwei in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel in zum Teil schematischer, zum Teil gegenständlicher Darstellung.
- Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel, stärker schematisiert.
- Figure 1: a first embodiment in a partly schematic, partly objective representation.
- Figure 2: a second embodiment, more schematized.
In Figur 1 ist ein Servomotor 1 mit Differentialkolben 2 dargestellt. Dieser Differentialkolben weist einen Kolbenkopf 4, einen Kolbenkörper 5 und eine Kolbenstange 6 auf, die beispielsweise mit der Spindel eines Ventils verbunden sein kann. Der Kolbenkopf 4 gleitet dichtend in einem oben mit einer Stirnwand versehenen Zylinder 8, der auf seiner Unterseite mit einem Deckel 9 verschlossen ist. Der Kolbenkopf 4 weist zwei Kolbenringe 12 auf und der Deckel 9 trägt in einer koaxialen Bohrung zwei Innenkolbenringe 14, die den dichtenden Kontakt mit dem Umfang des Kolbenkörpers 5 herstellen. Der Differentialkolben 2 unterteilt den Raum des Zylinders 8 in eine obere, zylindrische "erste Kammer" 15 und eine untere, ringförmige Kammer, die als "zweite Kammer" 16 bezeichnet ist.In Figure 1, a servo motor 1 with
Die erste Kammer 15 ist über eine Leitung 20, in der sich ein Drosselorgan 21 befindet, über ein Zuflussventil 24 an eine Zuflussleitung 25, und über ein Abflussventil 26 an eine Abflussleitung 27 angeschlossen. Zuflussventil 24 und Abflussventil 26 sind als elektromagnetisch gesteuerte Sitzventile ausgebildet, die im nicht erregten Zustand geschlossen sind. Die Spulen dieser Magnetventile sind mit 29 beziehungsweise 30 bezeichnet. Die Anschlussleitungen dieser Spulen sind mit der Erde 32 beziehungsweise über Leiterenden 34, 35 und nicht gezeichnete Schalter mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden.The
Die Zuflussleitung 25 ist über eine Verbindungsleitung 38 an das untere Ende der Kammer 16 und über ein Rückschlagventil 39 an eine Druckmittelzuflussleitung 40 angeschlossen, die zu einer nicht gezeichneten Druckmittelquelle führt.The
Der bisher geschilderte Servomotor funktioniert wie folgt:
- Soll der
Differentialkolben 2 aus seiner gezeichneten Zwischenstellung in seine untere Endlage geschaltet werden, so wird beigeschlossenem Abflussventil 26 dieSpule 29 über denLeiter 34 erregt. DasZuflussventil 24 öffnet sich und es stellt sich beidseitig desKolbenkopfes 4 derselbe Mediumdruck ein, mit dem Erfolg, dass infolge der grösseren Kolbenfläche in derersten Kammer 15 gegenüber jener in derzweiten Kammer 16 derDifferentialkolben 2 sich nach unten bewegt. Es wird dabei Druckmedium aus derzweiten Kammer 16 über dasZuflussventil 24 in dieerste Kammer 15 verdrängt.
- If the
differential piston 2 is to be switched from its drawn intermediate position into its lower end position, thecoil 29 is excited via theconductor 34 when thedrain valve 26 is closed. Theinflow valve 24 opens and the same medium pressure is established on both sides of thepiston head 4, with the success that, owing to the larger piston area in thefirst chamber 15 compared to that in thesecond chamber 16, thedifferential piston 2 moving down. Pressure medium is displaced from thesecond chamber 16 into thefirst chamber 15 via theinflow valve 24.
Soll nun der Differentialkolben in seine obere Endstellung geschaltet werden, so wird die Spule 29 ausgeschaltet und die Spule 30 erregt,sodass das Zulaufventil 24 schliesst und das Ablaufventil 26 sich öffnet. Durch diese Manipulation wird die erste Kammer 15 über das Ventil 26 entlastet während die zweite Kammer 16 über Rückschlagventil 39 und Leitung 38 mit unter hohem Druck befindlichem Druckmittel versorgt wird. Infolge des Druckunterschiedes am Kolbenkopf 4 bewegt sich der Differentialkolben in seine obere Endstellung.If the differential piston is now to be switched to its upper end position, the
Um den Differentialkolben 2 zu bewegen, ist somit das eine oder das andere der beiden Ventile 24 und 26 zu öffnen. Beide dürfen nicht offen stehen, weil sonst Druckmedium ungenutzt über das Rückschlagventil 39 und die beiden Ventile zur Druckmittelsenke abströmt. Im Stillstand sollten,wenn möglich,beide Ventile 24 und 26 geschlossen sein; es ist aber zulässig, und gegebenenfalls - um eine Schleichbewegung des Differentialkolbens 2 infolge Leckage an den Kolbenringen 12 zu vermeiden - sogar erforderlich, dass entweder das Zuflussventil 24 oder das Abflussventil 26 offenstehen bleibt.In order to move the
Der erfindungsgemässe Servomotor kann nicht nur dort eingesetzt werden,wo es darum geht, zwei Endpositionen anzusteuern,sondern er ist auch anwendbar, um beliebige Positionen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches anzufahren. Zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Einrichtung vorzusehen, die in Figur 1 auf der rechten Seite beispielsweise dargestellt ist.The servo motor according to the invention can not only be used when it comes to controlling two end positions, but it can also be used to move to any position within a predetermined range. For this purpose, an additional device is to be provided, which is shown on the right in FIG. 1, for example.
An der Kolbenstange 6 ist ein Winkelhebel 45 angelenkt, der sich um einen Zapfen 46 dreht und dessen Arm 47 auf einen Ventilteller 48 drückt. Dieser Ventilteller 48 weist einen zentralen Führungsarm 49 auf, der mit Radialspiel in einer zentralen Bohrung eines Kölbchens 52 seitlich abgestützt ist. Dieses Kölbchen 52 weist eine Sackbohrung 53 und einen Isoliernocken 54 auf. Am Grunde der Sackbohrung 53 ist eine Druckfeder 56 abgestützt, deren anderes Ende am Federteller 48 anliegt.On the
Das Kölbchen 52 ist, axial verschiebbar, in einem einseitig geschlossenen Zylinder 60 gelagert, an dessen Stirnseite eine Steuerleitung 62 angeschlossen ist.The
Der Isoliernocken 54 greift zwischen zwei Blattfedern 64 ein, die über ein metallisches Distanzstück 65 miteinander und mit dem positiven Pol einer nicht gezeichneten, geerdeten Stromquelle über eine Leitung 66 verbunden sind. An die Blattfedern 64 schliessen sich seitlich über Isolierstoffbeilagen 68 Kontaktfedern 69 und 70 an, deren spitz dargestellte Kontaktbeläge mit geringem Spiel den Blattfedern 64 zugewendet sind. Die Kontaktfeder 69 ist über einen gestrichelt gezeichneten Leiter 72 mit dem Leiter 34 der Spule 29, und die Kontaktfeder 70 über einen Leiter 73 mit dem Leiter 35 der Spule 30 verbunden-IDer durch die Einrichtung 45 bis 73 ergänzte Servomotor funktioniert wie folgt:
- Ueber die
Steuerleitung 62 wird dem System ein Druck als Sollwert für die Servomotor-Stellung eingegeben. Im Gleichgewichtszustand entspricht dieser Druck der Kraft derFeder 56, sodass dasKölbchen 52 etwa in der gezeichneten Mittelstellung ruht. Wird nun der Druck in derSteuerleitung 62 erhöht, so bewegt sich dasKölbchen 52 nach links, bis die Kraft derFeder 56 mit dem erhöhten Druck der Steuerleitung im Gleichgewicht steht. Dabei wird durch denIsolierstoffnocken 54 dielinke Blattfeder 64 an dieKontaktfeder 70 angedrückt, was zur Folge hat, dass dieSpule 30 erregt, und dasVentil 26 geöffnet wird. Es strömt dadurch Medium aus derKammer 15 aus und gleichzeitig strömt Druckmedium über dasRückschlagventil 39 in dieKammer 16 nach, während derDifferentialkolben 2 steigt. Durch das Steigen des Differentialkolbens wird über denWinkelhebel 45 dieFeder 56 mehr zusammengedrückt, was zur Folge hat, dass dasKölbchen 52 mit dem Isoliernocken 54 nach rechts fährt, bis dieKontaktfeder 70 frei wird. Damit wird aber dasAbflussventil 26 plötzlich geschlossen und derDifferentialkolben 2 und damit auch dasKölbchen 52 in seiner neuen Lage blockiert, bis der Sollwert sich wiederum ändert.
- Via the
control line 62, a pressure is entered into the system as a setpoint for the servomotor position. In the state of equilibrium, this pressure corresponds to the force of thespring 56, so that thepiston 52 rests approximately in the center position shown. If the pressure in thecontrol line 62 is now increased, thepiston 52 moves to the left until the force of thespring 56 is in equilibrium with the increased pressure in the control line. Theleft leaf spring 64 is attached to thecontact spring 70 by theinsulating material cam 54 presses, causingcoil 30 to energize andvalve 26 to open. As a result, medium flows out of thechamber 15 and at the same time pressure medium flows into thechamber 16 via thecheck valve 39, while thedifferential piston 2 rises. Due to the rising of the differential piston, thespring 56 is compressed more via theangle lever 45, which has the consequence that thesmall piston 52 moves to the right with theinsulating cam 54 until thecontact spring 70 is released. With this, however, thedrain valve 26 is suddenly closed and thedifferential piston 2 and thus also thesmall piston 52 blocked in its new position until the setpoint value changes again.
Ein analoger Vorgang spielt sich ab, wenn - um den Differentialkolben 2 zu senken - der Druck in der Steuerleitung 62 erniedrigt wird.An analogous process takes place if - in order to lower the differential piston 2 - the pressure in the
Die Einrichtung 45 bis 73 lässt sich natürlich auch rein elektrisch, zum Beispiel kontaktlos verwirklichen.The
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind analoge Teile mit denselben Ziffern bezeichnet wie in Figur 1. Figur 2 weist, an ein sekundäres Drosselorgan 81 angeschlossen, zusätzlich ein sekundäres Zuflussventil 84 und ein sekundäres Abflussventil 86 sowie, an eine sekundäre Leitung 98 angeschlossen, einen Druckspeicher 90 auf. Im Druckspeicher 90 ist das Druckmedium durch eine räumlich nachgiebige Membran 92 von einer Menge vor= zugsweise gasförmigen Speichermediums 93 getrennt.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, analog parts are designated with the same numerals as in FIG. 1. FIG. 2 shows, connected to a
Diese sekundäre Einrichtung 81 bis 98 kann zu verschiedenen Zwecken angewendet werden, beispielsweise
- - als
Redundanzsystem zum Steuersystem 21bis 39, - - als schneller wirkendes Notsteuersystem,indem die Oeffnung des Drosselorgans 81 grösser gewählt wird als jene des
Drosselorgans 21. - - als Sicherheitsstellsystem, das neben dem vollständigen Regelsystem von Figur 1 mit geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit den Servomotor in eine der Endstellungen schalten lässt. Dabei kann, beispielsweise wenn die Sicherheitsposition die untere Hubendlage ist, die
Verbindung von Leitung 80zu Leitung 27,mit dem Ventil 86, weggelassen werden.
- - as a redundancy system for
control system 21 to 39, - - As a faster-acting emergency control system, in that the opening of the
throttle element 81 is chosen larger than that of thethrottle element 21. - - As a safety control system that, in addition to the complete control system of FIG. 1, has the servo motor switched to one of the end positions with a lower probability of failure. In this case, for example if the safety position is the lower stroke end position, the connection from
line 80 toline 27 with thevalve 86 can be omitted.
Der Druckspeicher 90 bildet eine Reserve für den Fall, dass die Druckmediumzufuhr über das Rückschlagventil 39 ausfallen sollte. Dieser Druckspeicher 90 lässt sich natürlich auch an der Leitung 38 oder anderswo am unteren Rande der zweiten Kammer 16 anschliessen. Es ist auch denkbar, den Differentialkolben 2 als Hohlkörper zu gestalten und ihn als Druckspeicher auszubauen, wobei die Anschlussöffnung dieses Druckspeichers im Bereich der Hohlkehle zwischen Kolbenkopf 4 und Kolbenkörper 5 anzuordnen wäre. Von dieser Anschlussstelle aus könnte eine Tauchleitung zum Grunde des Hohlraumes etwaige führen. Eine/Nachspeisung des gasförmigen Druckpolsters könnte über die Kolbenstange 6 erfolgen.The
Schliesslich könnte auch zur Energiespeicherung zusätzlich eine Druckfeder in der ersten oder in der zweiten Kammer angeordnet sein.Finally, a compression spring could also be arranged in the first or in the second chamber for energy storage.
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, dass die der kleinen Seite des Differentialkolbens (2) anliegende zweite Kammer (16) über einen stets voll offenen Querschnitt einer Leitung (38) mit der Zuflussseite des Zuflussventils (24) verbunden ist.1. servo motor with a differential piston sliding in a cylinder, the first chamber of the cylinder, which is in contact with the large side of the differential piston, via two seat valves, namely an inflow and an outflow valve j and an inflow or outflow line with a pressure medium source or one Pressure medium sink is connectable,
characterized in that the second chamber (16) adjacent to the small side of the differential piston (2) is connected to the inflow side of the inflow valve (24) via a line (38) which is always fully open.
Applications Claiming Priority (2)
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CH945980 | 1980-12-22 | ||
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