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Fluidbetätigter Servomotor
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Fluidbetätigter Servomotor Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten
Servomotor mit einem doppeltwirkenden, in einem Zylinder reziprozierenden Kraftkolben,
wobei die Zylinderwand Offnungen zum Einströmen und Ausströmen von Arbeitsfluid
in die bzw. aus den zu beiden Seiten des Kolbens befindlichen Arbeitskammern des
Zylinders aufweist, sowie mit einem Stellglied, welches das Einströmen und Ausströmen
des Arbeitsfluids mit Hilfe von Steueröffnungen und mit diesen zusammenwirkenden
Steuerflächen steuert.
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Hydraulische oder pneumatische Servomotoren dieser Art können u.a.
als Kraftverstärker in Steuersystemen Anwendung finden, beispielsweise zur Füllungsregelung
einer Brennkraftmaschine, bei der ein relativ schwaches Ausgangssignal eines Drehzahlreglers
auf das Stellglied des Servomotors einwirkt, während das Ausgangsglied des Servomotors,
das vom Kraftkolben gebildet wird, mechanisch gekuppelt ist mit denjenigen Elementen
in den Brennstoffpumpen der Motorzylinder, welche die Fördermenge der Pumpen einstellen.
Auf Grund der Reibung und anderer Widerstände in den Pumpen und den Verbindungen
zwischen diesen und dem Servomotor ist es erforderlich, dass am Ausgangsglied des
Servomotors eine ziemlich grosse Kraft zur Verfügung steht. Bei einem bekannten
Servomotor, dessen Eingangsglied ein in Längsrichtung beweglicher Schieber ist,
der im Inneren des Kraftkolbens koaxial angebracht ist, machen die genannten Gegebenheiten
einen entsprechend hohen Druck des Arbeitsfluids notwendig, weil durch den in den
Kolben eingebauten Schieber die effektive Fläche des Kraftkolbens reduziert ist.
In vielen Fällen ist deshalb eine separate Pumpe zur Lieferung von
Arbeitsfluid
mit dem notwendigen Druck erforderlich.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen Servomotor anzugeben, dessen
Aufbau einfacher ist und der bei einem gegebenen Aussendurchmesser eine wesentlich
grössere Kolbenfläche als der bekannte Servomotor hat, so dass er eine gewünschte
Ausgangskraft bei entsprechend niedrigerem Druck des Arbeitsfluids entwickeln kann.
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Offnungen in
der Zylinderwand als Steueröffnungen ausgebildet sind, dass die Steuerflächen auf
der Mantelfläche des Kolbens ausgebildet sind und schräg über diese Fläche hinweg
verlaufen, die auf jeder Seite jeder Steuerfläche einen Rezess aufweist, welcher
durch Kanäle im Kolben mit einer Offnung in der einen bzw. in der anderen Stirnfläche
des Kolbens in Verbindung steht, und dass das Stellglied so ausgebildet ist, dass
es den Kolben und den Zylinder relativ zueinander drehen kann.
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Die Erfindung nutzt den Umstand aus, dass es zwei Freiheitsgrade bzw.
Bewegungsmöglichkeiten zwischen einem Kolben und einem zugehörigen Zylinder gibt,
und zwar eine geradlinige Verschiebung und eine Drehung. Die geradlinige Bewegung
wird auf übliche Weise als Ausgangsgrösse des Servomotors benutzt, während die relative
Drehung zur Steuerung des Einströmens und Ausströmens des Arbeitsfluids in die bzw.
aus den Arbeitskammern Anwendung findet, und zwar mit Hilfe der schrägen Steuerflächen
am Kolben, so wie es in der nachstehenden Beschreibung eingehender beschrieben ist.
Ein gesonderter Schieber zum Steuern des Ein- und Ausströmens des Arbeitsfluids
entfällt somit, was die Konstruktion vereinfacht und den wesentlichen Vorteil mit
sich bringt, dass die mit dem Druck des Arbeitsfluids beaufschlagte effektive Kolbenfläche
gleich dem Querschnitt des Zylinders abzüglich der in bezug auf die Grösse dieses
Querschnitts nur kleinen Fläche des
Querschnitts einer Kolbenstange
ist. Infolgedessen ist es bei einem hydraulischen Servomotor zum Regeln der Füllung
einer Brennkraftmaschine, vgl. die bereits erwähnte, bekannte Technik, möglich geworden,
den Servomotor mit so niedrigem Öldruck, z.B. 1,5-2 bar, zu betreiben, dass dazu
das Schmieröl der Brennkraftmaschine benutzt werden kann. Man spart dadurch eine
separate Hochdruckpumpe einschliesslich der damit verbundenen Kosten und Gefahr
für Betriebsstörungen ein.
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Das Stellglied kann drehfest verbunden sein mit einer am Kolben befestigten
Kolbenstange, die sich durch einen Stirndeckel des Zylinders hindurch erstreckt.
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Hierdurch wird die relative Drehbewegung vom Kolben ausgeführt, während
der Zylinder gegen Drehung festgehalten ist, was in der Regel aus Rücksicht auf
die äusseren Anschlüsse für das Arbeitsfluid am zweckmässigsten ist, die in diesem
Fall ganz ortsfest sein können, falls die Ausgangsbewegung mit Hilfe einer durch
das entgegengesetzte Ende des Zylinders herausragenden Kolbenstange vom Kolben abgenommen
wird.
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Die letztgenannte Kolben stange kann mit dem Kolben drehbar verbunden
sein, so dass sie die Drehung des Kolbens nicht mitzumachen braucht, was die mechanische
Verbindung der Kolbenstange mit dem Bauteil oder den Bauteilen vereinfacht, die
mit Hilfe des Servomotors bewegt werden sollen.
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Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, den Kolben in axialer Richtung
festzuhalten, so dass der Zylinder die Ausgangsbewegung des Servomotors ausführt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einströmöffnung in der
Zylinderwand breiter als die damit zusammenwirkende Steuerfläche am Kolben. Hierdurch
wird erreicht, dass, wenn sich der Servomotor in einer Gleichge-
wichtsstellung
befindet, der Einlassdruck des Arbeitsfluids in beiden Arbeitskammern wirksam ist
und somit unbeabsichtigten Axialbewegungen des Kolbens in bezug auf den Zylinder
entgegenwirkt. Ausserdem wird eine Dämpfung der von einer relativen Drehung von
Kolben und Zylinder hervorgerufenen relativen Axialbewegung erzielt, u.zw. dadurch
dass unter Einlassdruck stehendes Arbeitsfluid zu einem unmittelbar vor Abschluss
der Axialbewegung befindlichen Zeitpunkt Zugang zu derjenigen Arbeitskammer erhält,
die während der Bewegung unter Auslassdruck steht.
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Die Ausströmöffnung hat bevorzugterweise dieselbe oder eine etwas
kleinere Breite als die mit ihr zusammenwirkende Steuerfläche am Kolben. Da die
tote Zone bzw. Unempfindlichkeit des Servomotors vom eventuellen Unterschied zwischen
den Breiten der Steuerfläche und der Ausströmöffnung bestimmt wird, liegt es auf
der Hand, dass man durch geeignete Wahl dieses Unterschieds eine tote Zone von gewünschter
Ausdehnung erzielen kann.
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Im Hinblick darauf, die oben erwähnte Dämpfung gegen Ende einer relativen
Axialverschiebung von Kolben und Zylinder und/oder die Ausdehnung der toten Zone
variieren zu können, kann wenigstens eine der mit den Steuerflächen des Kolbens
zusammenwirkenden Offnungen in einer in der Zylinderwand auswechselbar montierten
Einsatzbuchse ausgebildet sein.
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Die gleichen Variationsmöglichkeiten können alternativ dadurch erreicht
werden, dass wenigstens eine der genannten Öffnungen in der Zylinderwand einen unrunden,
beispielsweise elliptischen, Querschnitt aufweist und in einer in der Zylinderwand
drehbaren Einsatzbuchse ausgebildet ist. Durch Drehen der betreffenden Buchse lässt
sich dann die relevante Dimension der Öffnung in Querrichtung der Steuerfläche ändern.
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Die Erfindung wird im folgenden under Bezugnahme auf die etwas schematische
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemässen Servomotors, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II
in Fig. 1, Fig. 3 eine Abwicklung der Mantelfläche des Kolbens in der in Fig. 1
wiedergegebenen Stellung, Fig. 4 eine entsprechende Abwicklung nach einer Drehung
des Kolbens in bezug auf den Zylinder, und Fig. 5 eine Abwicklung der Mantelfläche
des Kolbens nach axialem Verschieben des Kolbens in eine neue Gleichgewichtsstellung.
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Der auf der Zeichnung veranschaulichte Servomotor umfasst einen Zylinder
1, der an seinen Ende mit Hilfe angebolzter Stirndeckel 2 und 3 verschlossen ist,
sowie einen im Zylinder axial verschieblichen und drehbaren Kolben 4.
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Der Zylinder 1 hat zwei sich diametral gegenüberliegende Gewindestutzen
5 und 6 für den Anschluss einer Einlass-bzw. einer Auslassleitung für Hydraulikflüssigkeit.
In der Wand des Zylinders ist dementsPrechend eine Einströmöffnung 7 und eine Ausströmöffnung
8 vorgesehen, welche Offnungen bei der dargestellten Ausführungsform beide kreisförmigen
Querschnitt haben.
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In der Mantelfläche des Kolbens 4 sind zwei Steuerflächen 9 und 10
ausgebildet, die mit der Einströmöffnung 7 bzw.
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der Ausströmöffnung 8 zusammenwirken. Zu beiden Seiten jeder Steuerfläche
ist in der Mantelfläche des Kolbens ein Rezess 11, 12, 13 bzw. 14 vorgesehen, und
die den Rezessen zugekehrten Kanten der Steuerflächen verlaufen bei der gezeigten
Ausführungsform längs Schraubenlinien mit einem Steigungswinkel von ca. 450
Von
der Sohle jedes Rezesses geht eine radiale Sackbohrung 15, 16, 17 bzw. 18 aus, und
die beiden Bohrungen 16 und 17 stehen durch achsparallele Bohrungen 19 bzw.
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20 in Verbindung mit der zwischen der oberen Stirnfläche des Kolbens
4 und dem Stirndeckel 2 befindlichen Arbeitskammer 21 des Zylinders 1. Durch entsprechende
achsparallele Bohrungen 22 und 23 sind die radialen Bohrungen 15 und 18 und damit
die Rezesse 11 und 14 mit der gegenüberliegenden Arbeitskammer 24 des Zylinders
verbunden.
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Eine Kolbenstange 25 ist drehfest am Kolben 4 befestigt und dichtschliessend
durch den Stirndeckel 2 hindurch hinausgeführt. Ein Stellhebel 26 hat eine Nabe
27, die mit Hilfe einer Nut 28 in der Kolbenstange und einer Feder 29 in der Nabe
drehfest mit der Kolbenstange 25 verbunden ist. Der Stellhebel 26 ist auf nicht
näher gezeigte Weise in bezug auf den Stirndeckel 2 axial fixiert, und seine Nabe
27 hat Gleitsitz auf der Kolbenstange 25.
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Eine zweite Kolbenstange 30 ist dichtschliessend durch den gegenüberliegenden
Stirndeckel 3 des Zylinders hindurch hinausgeführt, und diese Kolbenstange is derartig
mit dem Kolben 4 verbunden, dass sie dessen axiale Bewegung in bezug auf den Zylinder
mitmacht, sich aber bevorzugterweise in bezug auf den Kolben drehen kann. Die Kolbenstange
30 stellt das Ausgangsglied des Servomotors dar, während der Hebel 26 das Eingangs-
oder Stellglied des Servomotors bildet.
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In der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Stellung befindet sich der Kolben
im Gleichgewicht, indem sich der Einlassdruck der Hydraulikflüssigkeit, der an der
Einströmöffnung 7 wirksam ist, durch die Rezesse 11 und 12 und die von diesen ausgehenden
Kanäle 15, 22 und 16, 19 zu beiden Arbeitskammern 21 und 24 verpflanzen kann. Dies
wird
dadurch ermöglicht, dass der Durchmesser der Öffnung 7, wie aus Fig. 3 am besten
ersichtlich ist, etwas grösser ist als die Breite der mit dieser Öffnung zusammenwirkenden
Steuerfläche 9 in rechtwinklig zu den Kanten dieser Steuerfläche verlaufender Richtung.
Der Durchmesser der Ausströmöffnung 8 ist gleich der oder etwas kleiner als die
Breite der Steuerfläche 10, und der Durchtritt von den beiden Arbeitskammern zur
hydraulischen Auslassleitung ist deshalb gesperrt.
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Durch Drehen des Stellhebels 26, der z.B. mit dem Drehzahlregler einer
nicht eingezeichneten Brennkraftmaschine verbunden sein kann, wird die Kolbenstange
25 und damit der Kolben 4 um einen entsprechenden Winkel gedreht, z.B. in die in
Fig. 4 veranschaulichte Stellung. Hierdurch wird die Verbindung zwischen der Einströmöffnung
7 und der Arbeitskammer 24 unterbrochen, während durch den Kanal 23, 18 und den
Rezess 14 eine Verbindung zwischen dieser Arbeitskammer und der Ausströmöffnung
8 hergestellt wird. Von der Einströmöffnung 7, die dann in grösserem oder kleinerem
Ausmass (abhängig von dem Winkel, um den der Kolben gedreht wurde) in freier Strömungsverbindung
mit dem Rezess 12 steht, strömt Hydraulikflüssigkeit unter Druck durch den Kanal
16, 19 zur Arbeitskammer 21, so dass der Kolben 4 mit der Kolbenstange 30 nach unten
bewegt wird. Diese Bewegung dauert an, bis der Kolben die in Fig. 5 gezeigte Stellung
einnimmt, in welcher die Ausströmöffnung 8 wieder durch die Steuerfläche 10 gesperrt
wird, während die Einströmöffnung 7 mit der Steuerfläche 9 fluchtet. Unmittelbar
vor Abschluss der Bewegung wird, analog mit dem in Fig. 3 Dargestellten, eine Strömungsverbindung
von der Einströmöffnung 7 zum Rezess 11 und weiter zur Arbeitskammer 24 hergestellt,
während gleichzeitig der Strömungsdurchtritt zum Rezess 12 und zur Kammer 21 zunehmend
ein-
geengt wird, und dadurch wird die axiale Bewegung des Kolbens
4 gedämpft. In seiner Endlage, die in Fig. 5 veranshaulicht ist, wird der Kolben
wie in Fig. 3 an beiden seinen Stirnflächen mit dem Arbeitsdruck der Hydraulikflüssigkeit
beaufschlagt.
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Es ist unmittelbar verständlich, dass ein Drehen des Stellhebels 26
und damit des Kolbens 4 in entgegengesetzter Richtung ein axiales Verschieben des
Kolbens in entgegengesetzter Richtung, d.h. nach oben, bewirkt.
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Von den vielen Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform, die
innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind, sei erwähnt, dass der Kolben 4
gegen axiale Bewegung gesichert sein könnte, so dass der Zylinder das Ausgangsglied
des Servomotors bildete. Das Stellglied könnte auch den Zylinder drehen, in welchem
Fall der Kolben gegen Drehung gesichert sein müsste. Die Steigung der schrägen Kanten,
welche die beiden Steuerflächen be-0 grenzen, kann von den dargestellten 45 abweichen,
und es ist ersichtlich, dass die Grösse der Steigung das Verhältnis zwischen der
Eingangsbewegung (Drehung) und der Ausgangsbewegung (der axialen Verschiebung) des
Servomotors bestimmt. Die Kanten könnten eine über ihrer Länge Variierende Steigung
aufweisen, wodurch das soeben erwähnte Verhältnis in Abhängigkeit von der axialen
Lage des Kolbens in bezug auf den Zylinder variiert. Durch Änderung des Verhältnisses
zwischen den Abmessungen der Öffnungen 7 und 8 in der Zylinderwand und der Breite
der Steuerflächen 9 und 10 kann man, wie weiter vorn bereits erwähnt, teils die
Dämpfung der axialen Bewegung, teils die tote Zone des Servomotors variieren, innerhalb
welcher eine Drehung des Kolbens keine axiale Bewegung mit sich führt.
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Obwohl der Kolben in der dargestellten Ausführungsform
mit
vier separaten Rezessen 11-14 ausgebildet ist, liegt es auf der Hand, dass diese
hätten paarweise zusammenhängend sein können, da die Rezesse 11 und 14 beide mit
der Arbeitskammer 24 in Verbindung stehen, während die Rezesse 12 und 13 beide mit
der Kammer 21 verbunden sind.
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Die Verbindungen zwischen den respektiven Rezessen und Arbeitskammern
könnten als Nuten in der Mantelfläche des Kolbens anstatt, wie gezeigt, in der Form
von sich durch das Innere des Kolbens erstreckenden Bohrungen ausgeführt sein. Es
versteht sich von selbst, dass um die Kolbenstangen 25 und 30 herum in die Stirndeckel
2 bzw.
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3 nicht eingezeichnete Dichtungselemente eingebaut sind, und entsprechende
Dichtungselemente können auch, falls erforderlich, in die Mantelfläche des Kolbens
eingesetzt werden. In Anbetracht des relativ niedrigen Arbeitsdruckes, der in vielen
Fällen erfordert wird, lässt sich der Kolben gegebenenfalls ganz aus Kunststoff
oder als eine auf einen Kern aus Stahl oder einem anderen Metall aufgepresste Kunststoffbuchse
anfertigen. Es versteht sich ebenfalls von selbst, dass die Erfindung je nach den
Gegebenheiten als hydraulischer oder pneumatischer Servomotor verwirklicht werden
kann.