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Elektrohydraulische Steuereinrichtung für einen doppeltwirkenden Servomotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrahydraulische Steuereinrichtung für einen
doppeltwirkenden Servomotor mit elektromagnetisch betätigtem Vorsteuerventil und
hydraulisch betätigtem Hauptsteuerventil, wobei die Bewegung des Servomotorkolbens
aus der Gleichgewichtsstellung heraus einen die Spule des Vorsteuerventils erregenden
Strom erzeugt.
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Es ist eine Einrichtung zur Rückführung des Steuerorgans eines Servornotors
bekanntgeworden, bei der eine in unmittelbarer Abhängigkeit von der Stellung des
Servomotors stehende elektrische Größe mit einer zweiten elektrischen Größe verglichen
wird und die resultierende Differenzgröße auf die Steuervorrichtung des Servomotors
einwirkt, die diesen unmittelbar steuert. Die Steuervorrichtung setzt dabei eine
Kammer des Servomotors unter Druck und schließt die andere unmittelbar an den Auslaß
an, so daß eine Geschwindigkeitssteuerung des Servomotors erzielt wird.
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Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, bei einem doppeltwirkenden
Servomotor, bei dem beide Kammern unter einem Dauerdruck stehen, die durch differenzielle
Änderungen des Druckes bewirkten Stellungsfehler des Servomotorkolbens auszuregeln,
also eine Drucksteuerung des Servomotors zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch
die Erfindung auf einfache und vorteilhafte Weise dadurch gelöst, daß jeder Druckkammer
des Servomotors ein Vorsteuerventil und ein Hauptsteuerventil zugeordnet sind, wobei
jedes Hauptsteuerventil durch einen in einem Zylinder verschiebbaren und den Zylinder
in zwei Kammern teilenden Kolbenschieber gebildet wird und eine Kammer mit einer
hydraulischen Zu-bzw. Ableitung des Vorsteuerventils und die andere Kammer mit einer
Druckkammer des hydraulischen Servomotors verbunden ist und eine seitliche öffnung
des Zylinders mit einer Druckleitung und mindestens eine seitliche öffnung des Zylinders
mit einer Ableitung verbunden und der Kolbenschieber so bemessen und angeordnet
ist, daß in der Gleichgewichtsstellung des Servomotorkolbens die öffnungen durch
den Kolben verdeckt sind und die unter der Wirkung des Vorsteuerventils unter Freigabe
- je nach der Verschiebungsrichtung - der einen oder der anderen Öffnung
erfolgenden Verschiebungen des Kolbens diese öffnungen jeweils mit der Kammer und
infolgedessen mit der Druckkammer verbinden.
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Dadurch werden folgende wesentliche Vorteile erzielt: Durch hohen
Druck bei großer Förderinenge wird eine hohe Ausgangsleistung erzeugt, mit der dem
betätigten Organ hohe Geschwindigkeiten und große Kräfte aufgezwungen werden können.
Die Verschiebung des betätigten Organs auf eine gegebene Stellung ist sehr genau.
Es werden eine große Stabilität und eine gute Dämpfung erzielt, weil in der Nähe
der Gleichgewichtsstellung des Systems eine relativ geringe Förderung einem relativ
großen Stellungsfehler des Servomotors entspricht.
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Bei kleinen Fehlern sind die Beschleunigung des betätigten Organs
und die Förderinenge gering, so daß das Pendeln des betätigten Organs um seine Sollstellung
stark gedämpft ist. Bei großem Stellungsfehler dagegen liefert die elektrohydraulische
Steuereinrichtung nach der Erfindung eine große Flüssigkeitsmenge unter starkem
Druck und damit eine große hydraulische Leitung. Sie steigert daher den anwendbaren
Druck und die Einstellungsgenauigkeit, und fördert um die Gleichgewichtslage herum
eng kontrolliert, was zu einer sehr stabilen Einstellung ohne Pendelung des betätigten
Organs um seine Gleichgewichtslage führt. Die Steuereinrichtung nach der Erfindung
erlaubt die gleichzeitige genaue Einstellung sowohl des Druckes als auch der Fördermenge.
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Ein hydraulisches Servokolbenventil mit elektromagnetischer Vorsteuerung
ist bereits Gegenstand eines älteren Patents. Es unterscheidet sich in baulicher
Hinsicht vom Erfindungsgegenstand. Auch
läßt sich damit die erfindungsgemäße-
Wirkungsweise nicht erzielen.
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In weiterer vorteilhafter Ausbildung des Erfindungsgegenstandes wird
der Strom für die Betätigung derVorsteuerventile in an sich bekannterWeise durch
einen elektronischen Verstärker verstärkt und ist der elektrische Kreis so geschaltet,
daß die beiden Elektroventile entgegengesetzt beeinflußt und damit beide Kolben
der.Hauptsperrventile entgegengesetzt verschoben werden, so daß beim Steigen des
hydraulischen Drucks in einer Kammer des Servomotors der Druck in der anderen Kammer
fällt.
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Ferner können die Auslaßöffnungen in den beiden Hauptsteuerventilen
durch mehrere Auslaßöffnungen mit derart experimentell bestimmten Maßen und
Ab-
ständen voneinander ersetzt werden, daß die auf der einen oder anderen
Kolbenseite des Servomotors herrschende Druckänderung einem bestimmten Gesetzt folgt.
Außerdem ist vorteilhafterweise eine Feder in jedem Hauptsteuerventil untergebracht,
die einen solchen Druck auf den Steuerkelben ausübt, daß die Druckänderung von der
Federbelastung abhängig regelbar ist. Schließlich können auch mehrere Auslaßöffnungen
und eine Feder so kombiniert werden, daß sich zwei zugleich oder einzeln beeinflußbare
Parameter für einen bestimmten Verlauf der Druckänderungen ergeben.
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Die gegenständliche Ausbildung der elektromagnetisch betätigten Vorsteuerventile
wurde bereits vorgeschlagen und ist nicht Gegenstand dieser Erlmdung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektrohydraulischen Steuereinrichtung
mit dem doppeltwirkenden Servomotor, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Druckdifferenz
am Servomotor als Funktion des Stellungsfehlers, wobei der Servomotorkolben unbeweglich
gehalten ist, Fig. 3 eine graphische Darstellung zweier möglicher Kurven
der zugeführten Fördermenge zum Servornotor (proportional zur Geschwindigkeit) als
Funktion des Stellungsfehlers, sofern keine Tätigkeit und kein Druck bestehen, Fig.
4 eine Detailansicht des Vorsteuerventils im Axialschnitt.
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Das Fehlerbestimmungssystem besteht aus einem Steuerpotentiometer
Pl, einem von der Stellung des Servomotorkolbens abhängigen Abtastpotentiometers
P2, einer Stromquelle S, zwei Widerständen Ri und R2 und einem elektronischen
Verstärker a.
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Die den elektrischen bestimmten Fehler in hydraulischen Druckunterschied
übersetzende Vorrichtung ist ein elektromagnetisch betätigtes Vorsteuerventil 1-l'.
Dieses Vorsteuerventil hat die Aufgabe, das elektrische Signal in ein hydraulisches
Signal geringer, verstärkbarer Fördermenge umzuwandeln.
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Der hydraulische Teil der Steuereinrichtung besteht im wesentlichen
aus zwei Hauptsteuerventilen D-D', die symmetrisch angeordnet sind und die Kammern
t und t' des Servomotors V beschicken. Jedes Hauptsteuerventil besteht im wesentlichen
aus zwei Kammern e und v bzw. e' und v', zwei entsprechend angeordneten Durchlässen
A und B bzw. A' und B' und einem durch eine Feder R bzw. R'
abgestützten Kolbenschieber T bzw. T'. Die Durchlässe A und A' sind
mit einer Speiseleitung P und die Durchlässe B und B' mit der Rückleitung
C
zum Sqrnmelbehälter verbunden. Die Ringkammernu und u' sind mit den Kammern
v bzw. v' dauernd verbunden.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Das Tastpotentiometer P, ist mit
dem Servomotorkolben gekuppelt und liefert eine Spannung, die im Widerstandssystem
R, und R2 mit der Spannung des Steuerpotentiometers P, verglichen wird. Die resultierende,
d. h. dem Fehler proportionale Spannung wird auf den Eingang des schematisch
dargestellten elektronischen Verstärkers a gegeben, der sie verstärkt auf das Vorsteuerventil
1-l' abgibt. Das Vorsteuerventil 1, l' setzt sie dann in seinen Kammern 2
und 2' in Druckunterschied um. Der dabei in einer dieser Kammern, z. B. Kammer 2,
herrschende Erregerdruck wird durch die zugehörige Leitung 3 in die Kammer
e des Hauptsteuerventils D geleitet und wirkt dort auf das untere Ende des
Kolbenschiebers T.
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Dadurch verschiebt sich der Kolbenschieber T in Richtung von Pfeil
f und gibt die Zuleitungsöffnung A frei, die an die hydraulische Druckquelle
P angeschlossen ist. Der Druck von P geht so in die Kammer u, die Kammer v und in
den Raum t des Servomotors. Zugleich wirkt der Druck auf das obere Ende des Kolbenschiebers
T und sucht ihn nach unten zu drücken. Die öffnungA wird geschlossen, sobald der
Nutzdruck im Servomotor im Raum t gleich dem Erregerdruck in e wird.
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Wenn, umgekehrt, der Erregerdruck in den Kammein 2 und e sinkt, verschiebt
sich der Kolbenschieber unter dem in der Kammer v herrschenden höheren Druck gegen
die Richtung von Pfeil f, gibt schrittweise die Rücklauföffnungen B frei und läßt
die Flüssigkeit der Kammer t des Servornotors durch die Rücklaufleitung
C zum Sammelbehälter entweichen.
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Das Verhältnis der Änderung des Nutzdrucks auf den Servomotor in Abhängigkeit
vom Fehler ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Servomotorkolben als unbewegbar
angenommen ist. Man sieht, daß sich der Druck auf den Servomotor, der der in der
Kammer e (oder e) herrschende Druck ist, proportional dem Fehler ändert. Tatsächlich
liegt bei unbeweglichem Servomotorkolben der Druck in der Kammer v (oder v') wegen
der zwei aufeinanderfolgenden Druckverluste beim Durchlaß A und beim Durchlaß
B (oder A' und B') zwischen dem Druck der Druckmittelquelle und dem Druck
des Behälters. Gemäß dem Fehler und demzufolge entsprechend der Lage des Kolbenschiebers
T oder T' ist der Druck in der Kammer v (oder v') entweder näher dem Druck der Quelle
P oder näher dem Druck des Behälters, wie die Kurve der Fig. 2 zeigt, in der +ei
und -ei die Sättigungswerte bezeichnen. Im Gleichgewicht (Punkt 0 in Fig.
2) sind die Durchlässe A
und B (oder A' und B') geschlossen.
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Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführung, die in Ruhelage
praktisch dicht ist, ist auch eine andere Ausführung denkbar, in der die Vorrichtung
einen geringen Flüssigkeitsdurchgang zuläßt und dazu die beiden Durchlässe
A und B (oder A' und B') im Gleichgewicht gleich wenig weit geöffnet
sind.
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Damit die auf der einen oder der anderen Seite des Servomotorkolbens
herrschende Druckänderung einem bestimmten Gesetz gemäß Fig. 3 folgt, ist
die
Möglichkeit vorgesehen, die Auslaßöffnungen B, B'
durch
mehrere Auslaßöffnungen mit experimentell bestimmten Maßen und Abständen zueinander
zu ersetzen. Außerdem werden in den Kammern e, e' der der Hauptsteuerventile
Federn R, R' untergebracht, die einen solchen Druck auf den Kolben ausüben,
daß die Druckänderungen von der Belastung abhän-gig regelbar ist. Die Steilheit
der Kurven in Fig. 3
läßt sich sowohl durch die Härte der Federn
R, R',
ferner durch die Anzahl, Form und Abstand der Auslaßöffnungen
B, B' als auch durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen beeinflussen.
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Das elektromagnetisch betätigte Vorsteuerventil, das nicht Gegenstand
dieser Erfindung ist, ist in Fig. 4 gezeigt und besteht im wesentlichen aus einer
Kammer 2, die durch eine kalibrierte Öffnung 4 mit der Druckflüssigkeitsspeisung
P verbunden ist. In diese Kammer mündet ein Kanal 5 (Fig. 4), der am anderen
Ende in einem Durchlaß 6 (s. gleichfalls Fig. 1) endet, dessen Durchgangsquerschnitt
durch eine Nadel 7 od. dgl. gesteuert ist. Die Nadel 7 selbst wird
vom Kein 8 eines Solenoids 9 gesteuert, das in dem vom Verstärker
a kommenden Steuerstrom des Magnetstromkreises 10 erregt ist. Der veränderliche
Druck in -der Kammer 2 wird so durch die der Druckflüssigkeit durch den Durchlaß
6 gebotene Ableitung zur Rückleitung C in Pfeilrichtung geregelt.
Nach einem früheren Vorschlag unterliegt der Kern 8 zugleich der Wirkung
des Solenoids 9 und des in der Kammer 11 ausgeübten Gegendrucks durch
die Flüssigkeit, die den Durchlaß 6 passiert hat. Der Gegendruck rührt dabei
vom Druckverlust zwischen den Kammern 11 und 12 infolge des Kanals
13 mit geringem Querschnitt her. Damit der Kein 8
nicht klebt, liegt
der Kein auf der Nadel 7 mit einem Plättchen 14 auf, das den Kein
8 etwas überragt und dadurch Remanenz vermeidet.