Alektrohydraulischer Servoautrieb Die erfindung bezieht sich auf einen
elettrohydraulischen Servoantrieb mit zwei hydraulischen Verstärterstufen, von denen
Gie erste durch eiin elektrisches Signal gesteuert wird, das auf eine icawenkplatte
wirkt, welche die Durchflußmengen zweier Ausströmdüsen gegensinnig beeinflußt, üeren
Durchflußmengen ihrer seits die Unterschiede zweier Drücke bestimmen, welche in
der zweiten Verstärkerstufe in einander eintgegengesetztem Sinn auf einen Steuerschieber
wirken, der die Speisung des verwendeten Bervomotors steuert. Derartige Servoantriebe
dienen dazug die Bewegungsgeschwindigkeiten und die Einstellungen des beweglichen
Arbeitsorgans des Servomotors zu steuern. Die direkte Steuerung hat den lächteil,
daß bei Betätigungen mit größeren Kräften die Anderungen des Arbeitsmoittel-Durchsatzes
derv Steuerung in Abhängigkeit von den Veränderungen der Belastung sehr klein sein
können, wodurch der Verstärkungsgewinn, bezogen auf den Durchsatz, zum Nachteil
der Genauälkeit der 3instellung des Bervo2motors verringert wird.
Bei
Servoantrieben, die große Kräfte abgeben müssen, wird man infolgedessen veranlaßt,
eine von der durch den Servomotor ausgeübten Kraft abhängige Gegenreaktion vorzusehen,
indem man der BetätigunL durch die unterschiedlicheni auf den Steuerschieber einwirkenden
Drücke, welche von der ersten hydraulischen Verstärterstufe gesteuert weraen, eine
in Abhängigaeit von der jeweiliZen LaZe des Steuerschiebers veränderliche Betätigung
durch die in dem Servomotor auftretenden Drüche entgagenwirden läßt. Bei dem Servoantrieb
gemäß der vorliegenden Arfinduug ist diese GegenwirkunG unmittelbar von den Drücken
im Servomotor abhängig gemacht. Gemäß der Irfindung geht die Spannung des elektrischen
öignals, welches die Durchflußmengen der beiden Ausströmiasen der ersten Stufe beeinflußt,
aus dem Vergleich zwischen der elektrischen Steuerspanriung einerseits und ciner
11dInamorietrischenG der von dem Servomotor ausgeübten Kraft entsprechenden Spannung
hervor und die unterschiedlichen, in den zwei Betätigungs-Druckkammern des Steuerschiebers
entstehenden Drücke durch eine Gegenreaktion in Abhängigneit von der Belastung des
Servomotors beeinflußt werden, wobei diese Gegenreaktion durch votneinanderf verschiedene
Durchflußmengen in zwei brosselstellen von ionstantem Querschnitt geschaffen wird,
von denen je eine zwischen einer der Druchkammern des Steuerschiebers und
derjenigen der beiden Arbeitskammern des Servomotors liegt, in der der Druck sich
in dem gleichen Sinn ändert, wie deri Steuerdruck in der anderen Druckkammer.
In
der ZeichnunG ist in mehr oder wer. iger scheinatischer l# Weise ein spezielles
AusfWirungsbeispiel eines Oervoailtriebs gemäß der L-rfindung dargestellt, das nuamehr
beschrieben wird. In äer Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Gesamtschema
des )'j>ervoaiitriebs; Fig. 2 ein Schema der hydraulischen Schaltung; L, Fig.
3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Servoantrieb mit dauernd
wirksamer Gegenreaktion; Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig.3, die jedoch einen
Servoantrieb mit nur zeitweise wirksamer Gegenreaktion wiedergibt. Das in der Fig.3
veranschaulichte Servo-Steuervantil'enthält in einem Ventillgehäuse 1 einen
axial beweglichen Steuerschieber 2, der den Kraftwirkungen- , zweier einander
entgegenirkender Federn 3a und 3b unterworfen ist.' Die Druckflüssigkeit,die
einer nicht dargestellten Pumpe geliefert wird, tritt unter einem Druck ps in eine
zentrale Kammer 4 des Servoventils ein. Der zentrale Steuerteil 23des Schiebers
2 schließt in der neutralen Stellung zwei Hohlräume la und lb gegen die zentrale
11ammer 4 ab, welche ihrerseits über je eine Leitung 5a und 5b mit
den Arbeitsräumen 6a und 6b eines Servomotors 6 verbunden sind, dessen
Kolben 7 auf das zu bewegende Blemerit 8 einwirkt. Je nach der Richtung
der Verschiebung des Steuerschiebers 2 wird einer der Hohlräumela oder lb durch
den mittleren Scheieberteil 2c mit der zentralen Kammer 4 und der andere Druck einer
der äußeren Steuerschieberteile 2a oder 2b mit dem Abfluß bzw. dem Flüssigkeitoaufriahmebehälter
9 verbunden.
Die zentrale Kammer 4 ist über ein Filter
10 und zwei Drosselstellen 4a und4b mit zwei Leitungen lla und llb verbunden,
welche iArseits eine Verbindung zwischen einer Druckkammer 12a und einer Regeldüse
13a,sowie zwischen einer Druckkammer 12b und einer Regeldüse 13b herstellen.
Durch durch die Beeinflussung des Auslaßquerschnitts der Regeldüsen 13a und
13b in den Leitungen lla und llb entstehenden Drückef-wirken in einander
entgegengesetzten Richtungen auf die äußeren Endteile 2a und 2b des Steuerschiebers
2. Der unterschiedliche Flüssigkeitsdurchfluß durch die Regeldüsen 13a und
13b wird in an sich bekannter Weise durch eine bewegbare Steuerplatte 14
gesteuert, die von einer,rohrförmigen Abdichtudngsfeder 15 getragen und durch
zwei Plagnetfelder betätigt wird, von denen das eine ein konstantes Feld des Magneten
16 und daa andere ein hinsichtlich seiner Stärke regelbares Feld ist, das
durch zwei Stromspulen 17 erzeugt wird. Jedes elektrische Steuersignal, das
auf die eine oder die andere der beiden Spulen 17 gegeben wird.f bewirkt
eine entsprechende Änderung der gegensinnig veränderlichen Durchflüsse oder Ausflußmängen
der beiden Regeldüsen 13a und 13b; die dadurch entstehenden, sich gegensinnig
verhaltenden Druckänderungen un den Druckkammern 12a und 12b verschieben
den Steuerschieber2, der nun seinerseits,je nach der Verschiebudngerichtung, den
Einlaß der Druckflüssigkeit ein einen der beiden Arbeiteräume 6a fzw 6b des
Servomotors 6 und den Abfluß der Flüssigkeit aus dem anderen Arbeitsraum
steuert.
Die Druckdifferenzwirkung auf den Steuerschieber 2 wird
teilweise durch die Federn 13a und 13b gedämpft, deren Federkräfte oder Drücke
sich umgekehrt verhalten, wie die Drucxänderungen in den entsprechenden Druckkammern
12a und 12b.
4
Die an sich bekannte, bisher beschriebene Anordnung entspricht
einem Servoventil mit I'Durchsatzsteuerung11, das so gestattet, die Verschiebungen
des Kolbens 7 des Servomotors 6 in beiden Richtungen zu steuern. Um
eine "Kraftsteuerung" zu erzielen, d.h. der Kraftwirkung des Servomotors
6 einen bestimmten Wert zu geben, wird das Servoveritil durch einen lastabhängigen
Zusatz vervollständigt. Wie das Schema der Fig. 1 zeigt, ist z.,ylschen den
Kolben 7
des, Servomotors 6 und diezu bewegende (oder zu bremsende)
Iast 8
ein elektrisches Dynamometer 18 eingeschaltet. Die von dem Dynamometer
18 gelieferte, der Gegenkraft der Last proportionale elektrische Spannung
wird in der Vergleichsvorrichtung 19 mit der.* Spannung des Signals ."Kraft"
verglichen, das über das erste Steuerorgan 20 auf die Vergleichsvorrichtung gegeben
wird. Die Differenz dieser beiden Spannungen ergibt ein 'tFehler"-Signal, das der
Abweichung entspricht und in dem Plattenregler 21, welcher die Ausströmdüse 13a
und 13b, die Platte 14 und die Wicklungen 17 enthält, (vgl-Fig.3)
als Steuergröße benutzt wird. Beim Einleiten eines Steuersignals durch das Organ
20 wird durch die Differenz der Ausflußmengen der beiden Reglerdüsen 13a und
13b über das Servoventil 1 eine Verschiebung des Kolbens
7 des Servomotors 6 bewirkt, und zwar bis zu dem Augenblick,
in
dem die von dem Dynamometer-18 gelieferte Spannung die Spannung des ersten Steuersignals
kompensiert und so den Durchsatz durch das Servoventil 1 auf den Wert Null
herabsetzt. Wenn man die Rückführkräfte der beiden Federn 3a und 3b
vernachlässigt,
ist der Durchsatz durch das Servoventil:
in der Y der Öffnungsquerschrlitt des Servoventils, c der StrömUngskoeffizient der
Flüssigkeit und AP = PS- pin der auf denf Steuerschieber einwirkende Druck
ist, wobei ps der konstante, von der Plüssigkeitspumpe geliefertef Druck und
p m der veränderliche Druck in dem Arbeitsraum des Servomotors
6 ist. Aus dieser Beziehung erhält man:
Man erkenntg daß bei einem derartigen Servoventil mit I'Durchsatzsteuerung11 der
Durchsatz bei kleinen Lastwerten sich sehr wenig mit der. Last ändert, während.er
bei hohen Lastwerten sich sehr schohell oder,stark mit der Last ändert. Hierdurch
ergibt sich der Nachteil, daß bei kleinen Lasten der Dämpfugngsfaktor ungenAgend
ist. Bei dem Servoventil für "Drucksteuerung", das den Gegenstand der.. Erfindung
bildet, erhält man für dQ/dp einen praktisch -j konstanten Wert.
Hierzu
ist die Leitung 5a, welche den Arbeitsraum 6a des Servomotors speistg durch eine
Abzweigleitung 21a mit der Druckkammer 12b des Servoventils 1 verbunden;
in gleicher Weise ist die Leitung 5b, welche den Arbeitsraum 6b des Servomotors
speist, durch eines Leitung 21b mit der, Druckkammer 12a des Servoventils
1 verbunden (Pig.2 und 3).
In den Leitungen 21a und 21b sind
jeweils Drosselstellen 22a und 22b hinter den Filtern 23a und 23b
angeordnet. Diese beiden Leitungen speisen anderseits die beiden Druckmessanschlüsse
24a und 24b. Die voneinander unterschiedlichen Drücke pa und pb in den Druckkammern
12a und 12b des Servoventifls 1
werden anfangs nur in Abhängigkeit
von dem elektrischen Steuereignal 4 1 beeinflußt (Fig.2). Bei einer Verschiebung
des Steuerschiebers 2 im Sinne des Pfeiles f bildet sich in dem Arbeitsraum
6a des Servomotors 6 ein Druck pm aus; der Kolben 7 des Servomotols
verschiebt sich dann im Sinne des Pfeiles F, während in dem Arbeitsraum
6b ein Ausachiebedruck pr entsteht. Wenn der Kolben 7 sich gegen-eine
Belastung verschiebtg'oo erhöht sich der Druck pm in dem Arbeitsraum 6a und es tritt
gleichzeitig eine Erhöhung des Durchflusses in der Drosselstelle 22 auf, während
der Durchfluß in der Drosseletelle 22b in Ab-
hängigkeit von dem Druck
pr zurückgeht. Infolgedessen wird das Verhältnis der um usgeglichenen Kräfte, denen
der Steuersc]#ieber idmit durch die- Differenzen der Drücke pa und pb unterliegt,
in dem Sinne eines Stilleetzens der Schieberbewegung durch eine
Vergrößerung
des Druckes in der Druckkammer 12b geändert. Ien erhält so' eine Gegenreaktion,
die bis zu demjenigen Zeitpunkt von der Größe der Belastung abhängig ist, in dem
der Stauerschieber 2 in seine mittlere oder neutrale Ausgangsstellung zurückgeführt
ist und in die Speisung des Servomotors 6 unterbricht. Der anfängliche Durchsatz
des Servoventifle 1, der allein von denebeiden Ausströmdüsen 13a und
13b geregelt wird, dient lediglich zur Iageneinstellung des Servomotorkolbens;
sowie eine Belastung auftritt, vermindert sich dieser Durchsatz unter der Gegenreaktionswirkung
und der Verringerung des "Fehlersignals" des Dynamometers, um zu Null zu werden
, wenn die Kraft denjenigen Wert erreicht hat, der dem Signal 3i entspricht#
Von diesem Augenblick an ist der Durchsatz lediglich noch derjenige, der zur Kompensation
der Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeit erforderlich ist. Man erkennt, daß die
Druckverstärkung dp/di in dem Servofentil l'sIch sehr stark verringert, d.h., daß
die Regelung auf "Kraft" durch ein wesentlich höheres Signal erfolgt. Durch geeignete
Wahl der Durchflußquerschnitte der Drosselstellen 4a und 4b bestimmt man die Wirkung
"Durchsatz" und durch die Wahl der Querschnitte der Drosselstellen 22a und
22b bestigmmt man die Wirkung "Kraft". Man kann so durch Wahl der Verhältnisse
zwischen diesen Querschnitten die relativen Werte der beiden Wirkungen festlegeng
wobei diese Relativwerte gegebenenfalls in den-,beiden Verschiebungsrichtungen des
Servomotorkolbens unterschiedlich sein können.
Es ist darauf aufmerksam
zu machen, daß die veränderliche Wir kling der Gegenreaktion erzielt wird, ohne
veränderbare Durchflußquersch.,nitte zu verwenden, beispielsweise bewegliche Abschlußorgane,
die mit dem Steuerschieber gekuppelt sind. In gewissen Fällen, beispielsweise dann,
wenn der Servomotor nur für Bewegungen größerer Miassen benutzt wird, kann man ein
Interesse daran haben, die Gegenreaktion erst dann wirksam werden zu lassen, wenn
die für die -',#,inleituxig der Bewegung der Massen erforderlichen 1vLassen-bzw.
Beschleunigudii-skräfte verschwunden sind. Die Pig.4 zeigt eine Anordnung, mit der
eine solche nur zeitweilig wirksame Gegenreaktion erzielt wird. In die Leitungen
21a und 21b sindtvor den Drosselstellen 22a und 22b Zylinder 25a und
25b eingeschaltet, in denen sich Kolben 26a*und 26b vexschieben können,
die unter der 1"iirkung von Federn 27a und 27b stehen. Man erkennt, daß die
unterschiedlichen Drücke pa und pb in den Druckkammern 12a und 12b nur zeitweilig
durch die Drücke pm und pr in den Arbeiteräumen 6b und 6a des Servomotors
geändert werdeng da diese Drücke der Arbeitsräume über die entgegen den Kräften
der Federn 27a und 27b bewegbaren Kolben 26a und 26b
übertragen werden.
Die Durchsätze durch die Drosselstellen 22a und 22h, von denen die ausgeübte
Gegenreaktion abhängt, werden tatsächlich zu Null, sowie die Beschleunigung des
Servomotors ihrerseits durch das Aufhören der Bewegung des Servoventil-Steuerschiebers
2 ebenfalls zu Null wird.
Selbstverständlich könnte der oben beschriebene
Servoantrieb in Ausführungseinzelheiten geändert oder durch irgendein zweckmäßiges
Zusatzorgarl ergänzt werden, ohne deshalb den Rahmen der 2rfindun.- C> zu verlassen.
So kann beispielsweise der gewünschte Servomotor ein Servomotor beliebiger Art sein,
beispielsweise ein Drehmotor.