DE3510546C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Stell­ antrieb für stetige Regelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher, aus der US-PS 44 58 487 bekannter Stellan­ trieb weist einen Rückströmkanal auf, durch den solange Hydraulikflüssigkeit von der Arbeitskammer in die Vor­ ratskammer zurückströmt, wie in der Arbeitskammer ein Überdruck gegenüber der Vorratskammer herrscht. Eine solche Bauart hat zur Folge, daß die Pumpe ständig die durch den Rückströmkanal entstehenden Leckverluste decken muß. Während des Arbeitshubes stellt diese Rück­ strömung einen Verlust dar. Um die Verluste zu verrin­ gern, ist bei dem bekannten Stellantrieb der Rückström­ kanal durch eine Einstellschraube oder durch eine einge­ setzte Drosselblende gedrosselt. Dies ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß die Rückstellzeit in uner­ wünschter Weise verlängert wird.

In der nicht vorveröffentlichten EP-Anmeldung 01 54 854 wird ein elektrohydraulischer Stellantrieb mit einem elektrisch steuerbaren Sperrventil im Rückströmkanal vorgeschlagen. Ein solcher Stellantrieb ist erstens mit dem Nachteil behaftet, daß außer für die Pumpe eine weitere elektrische Leitung zur Steuerung des Sperrven­ tils erforderlich ist und zweitens, daß bei ausgeschal­ teter Pumpe der Druck im Druckraum solange aufrechter­ halten bleibt, bis das Sperrventil geöffnet wird. Aus der vorstehenden Funktionsweise ergibt sich, daß dieser Stellantrieb nicht für eine stetige Regelung geeignet ist.

Eine Schwingankerpumpe, wie sie beispielsweise im Zusam­ menhang mit dem Erfindungsgegenstand verwendet werden kann, ist in der DE-PS 11 01 960 beschrieben.

Aus dem Buch "Konstruktionselemente des Maschinenbaues" Seite 244 von F. Bodenstein, erschienen 1968 im Springer Verlag, ist die allgemeine Verwendung von Rollmembranen bekannt, welche bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für eine stetige Regelung geeigneten elektrohydraulischen Stell­ antrieb zu schaffen, der nur ein einziges Leitungspaar als Zuleitung und eine geringe Steuerleistung benötigt.

Die gestellte Ausgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die Rückströmung ohne eine zusätzliche Steuerleitung zu steuern. Dabei erfolgt die Steuerung nicht nur im Auf- Zu-Betrieb, sonder ebenfalls stetig. Die Membran des Rückströmventils vergleicht ständig den jeweils von der Pumpe erzeugten Druck mit dem in der Arbeitskammer vor­ handenen Druck. Ist der Pumpendruck höher, schließt das Rückströmventil den Rückströmkanal. Damit ist die gesam­ te Leistung der Pumpe während des Arbeitshubes nutzbar, da keine ständigen Verluste durch den Rückströmkanal auf­ treten. Dies hat zur Folge, daß die Pumpe vom Regler weniger Leistung benötigt, als bei dem bekannten, für eine stetige Regelung bestimmten Stellantrieb. Ist der Pumpendruck gleich oder niedriger als der in der Ar­ beitskammer vorhandene Druck, dann öffnet das Rückström­ ventil den Rückströmkanal. Durch die Größe der vollen Öffnung des Rückströmventils läßt sich die Rückstell­ zeit nahezu beliebig wählen. Durch die Verwendung eines Membranventils arbeitet dieses nahezu hysteresefrei, so daß der erfindungsgemäße Stellantrieb eine stetige Regelung einwandfrei gewährleistet.

Die Unteransprüche kennzeichnen bevorzugte Ausführungs­ formen der Erfindung, auf deren Vorteile im nachfolgen­ den Beschreibungsteil hingewiesen wird.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen elektrohydraulischen Stellantrieb, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Rückströmventil des Stellantriebs nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltschema für den Anschluß des Stell­ antriebs,

Fig. 4 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik einer Schwingankerpumpe,

Fig. 5 ein Diagramm der Arbeitscharakteristik des Stellantriebs und

Fig. 6 ein Diagramm der zeitlichen Arbeitscharakte­ ristik des Stellantriebs.

Der in der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb ist in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht, welches aus einem oberen Gehäuse 10 und einem unteren Gehäuse 12 besteht. Innerhalb des Gehäuses ist ein becherförmiger hohler Kolben 14 geführt und mittels einer Rollmembran 16 gegen die Zylinderwand abgedichtet. Der Raum unterhalb der Rollmembran 16 ist ein mit einer Hydraulikflüssigkeit 18 teilweise gefüllter Vorratsraum 20. Oberhalb des Spiegels der Hydraulikflüssigkeit 18 befindet sich ein Gaspolster 22. Der Raum oberhalb der Rollmembran 16 ist der Arbeitsraum 24. Die Rollmembran 16 ist zwischen Flanschen der beiden Gehäuseteile 10 und 12 eingespannt.

Der Kolben 14 ist durch die Kraft einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Rückstellfeder 26 in Richtung des Arbeitsraumes 24 vorgespannt. Innerhalb des Kolbens 14 ist eine mit einem Rückströmventil 28 verbundene elektrisch antreibbare Schwingankerpumpe 30 angeordnet. Eine zweiadrige elektrische Zuleitung 32 der Schwingankerpumpe 30 ist aus dem unteren Gehäuseteil 12 herausgeführt. Der Kolben 14 ist über das Rückströmventil 28 und die Schwingankerpumpe 30 mit einer Kolbenstange 34 verbunden, die in einem mit dem unteren Gehäuseteil 12 verbundenen Führungslager 36 geführt und mittels einer O-Ring-Dichtung 38 abgedichtet ist.

Die Schwingankerpumpe 30 weist eine Ansaugöffnung 40 auf, die sich unabhängig von der Lage des Stellantriebs stets unterhalb des Spiegels der Hydraulikflüssigkeit 18 befindet. Das mit der Schwingankerpumpe 30 verbundene Rückströmventil 28 ist über eine Öffnung 42 mit dem Arbeitsraum 24 verbunden. Über einen Rückströmkanal 44 ist das Rückströmventil 28 mit dem Vorratsraum 20 verbunden, da das untere Ende 46 des Kolbens 14 offen ist. Es ist in der Fig. 1 auch zu erkennen, daß der Rand des Kolbens 14 am unteren Ende 46 einen größeren Durchmesser als der Kolben in seinem übrigen Bereich aufweist, um als Führung innerhalb des unteren Gehäuseteiles 12 zu dienen.

In der Fig. 2 ist das Rückströmventil 28 im Detail dargestellt. Das Rückströmventil 28 weist ein Ventilgehäuse 48 auf, welches unter Zwischenlage einer Membran 50 mit der Schwingankerpumpe 30 verbunden ist. Die Membran 50 besteht aus einer dünnwandigen kreisförmigen Metallscheibe. Der Druckseite der Schwingankerpumpe 30 ist ein Kanal 52 zugeordnet, der koaxial gegen die Unterseite der Membran 50 mündet.

In ihrer in der Fig. 2 dargestellten Ruhelage ist der Kanal 52 durch die Membran 50 verschlossen. Auf der Oberseite der Membran 50 liegt dem Kanal 52 ein Ventilsitz 54 gegenüber, der mit dem in den Vorratsraum 20 mündenden Rückströmkanal 44 verbunden ist. In ihrer Ruhelage befindet sich die Membran 50 in einem Abstand 56 vom Ventilsitz 54, so daß der Rückströmkanal 44 mit einer oberhalb der Membran 50 angeordneten ringförmigen Zwischenkammer 58 verbunden ist. Die Zwischenkammer 58 ist ständig mit der in den Arbeitsraum 24 mündenden Öffnung 42 über zueinander abgewinkelte Kanäle verbunden. Die Membran 50 weist außerhalb ihres Zentrums mindestens eine Öffnung 60 auf, die in der Ruhelage der Membran 50 gegen die obere Fläche der Schwingankerpumpe 30 verschlossen ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltschema, in welchem der in der Fig. 1 dargestellte Stellantrieb mit 62 bezeichnet ist. Dieser Stellantrieb 62 ist über die zweiadrige Zuleitung 32 mit einem Regler 64 verbunden, der seinerseits einen Netzanschluß 66 aufweist und mit einem Fühler 68 verbunden ist. Der Fühler 68 kann beispielsweise ein Temperaturfühler sein. Der Regler 64 ist für eine stetige Regelung bestimmt und liefert demzufolge ein stetig veränderbares Stellsignal über die Zuleitung 32 an den Stellantrieb 62, welcher zur Verstellung eines Stellgliedes, wie beispielsweise eines Ventils oder einer Luftklappe bestimmt ist. Das Stellsignal ist ein spannungsvariabler Wechselstrom von Sinus-Rechteck- oder Sägezahnform. Die zwei Drähte der Zuleitung 32 zwischen dem Regler 64 und dem Stellantrieb 62 sind ohne nachteilige Wirkung vertauschbar. Das Stellsignal wird im Stellantrieb 62 der Schwingankerpumpe 30 zugeführt, die als bekannt vorausgesetzt wird.

Die Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Arbeitscharakteristik der Schwingankerpumpe in Form einer Kennlinie 70, wobei auf der Abszissenachse die Speisespannung in Prozent und auf der Ordinatenachse der Staudruck in Prozent angegeben sind.

Die Fig. 5 zeigt die Arbeitscharakteristik des Stellantriebes, wobei auf der Abszissenachse die Speisespannung und auf der Ordinatenachse der Stellweg der Kolbenstange 34 angegeben ist. Die entsprechende Kennlinie 72 ist doppelt ausgezogen, um darzustellen, daß in einem Abstand 74 eine Hysterese vorhanden ist.

Die Fig. 6 zeigt die zeitliche Arbeitscharakteristik des Stellantriebes in Form von Kennlinien bei 50, 60, 70 und 80 Prozent der Speisespannung. Die Abszissenachse ist in dieser Figur die Zeitachse, während auf der Ordinatenachse der Stellweg in Prozent angegeben ist.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird nachfolgend die Wirkungsweise des Stellantriebes erläutert. Wird an die Zuleitung 32 ein elektrisches Wechselspannungssignal geeigneter Frequenz und genügender Größe angelegt, so beginnt die Schwingankerpumpe 30 zu arbeiten. Sie saugt über die Ansaugöffnung 40 Hydraulikflüssigkeit 18 aus dem Vorratsraum 20 an und fördert diese durch das Rückströmventil 28 und die Öffnung 42 in den Arbeitsraum 24. Damit die geförderte Hydraulikflüssigkeit dort Platz findet, muß sich der Kolben 14 mit der Rollmembran 16, dem Rückströmventil 28, der Schwingankerpumpe 30 und der Kolbenstange 34 entsprechend abwärts in Richtung des Führungslagers 36 bewegen. Diese Bewegung findet solange statt, bis zwischen dem Förderdruck der Schwingankerpumpe 30 bzw. der diesem entsprechenden Kolbenkraft und der Gegenkraft der Rückstellfeder 26 Gleichgewicht besteht.

Wird das elektrische Wechselspannungssignal in seiner Größe verringert, wird der von der Schwingankerpumpe 30 erzeugte Förderdruck gemäß deren Arbeitscharakteristik nach Fig. 4 sinken. Der Druck im Arbeitsraum 24 ist dann infolge der Gegenkraft der Rückstellfeder höher als der Pumpendruck. In diesem Fall läßt das Rückströmventil 28 Hydraulikflüssigkeit 18 durch den Rückströmkanal 44 in den Vorratsraum 20 zurückfließen. Dabei wird sich der Kolben 14 soweit zurückbewegen und die Rückstellfeder 26 entlasten, bis erneut das Gleichgewicht hergestellt ist.

Das Rückströmventil 28 gemäß Fig. 2 arbeitet dabei wie folgt: Beginnt die Schwingankerpumpe 30 durch den Kanal 52 Hydraulikflüssigkeit zu fördern, dann wird zuerst die Membran 50 in ihrer mittleren Zone aufgewölbt, bis sie am Ventilsitz 54 anliegt und den Rückströmkanal 44 verschließt. In der Folge wird die Membran 50 soweit in die Zwischenkammer 58 hinein aufgewölbt, bis die Öffnungen 60 von der Stirnfläche der Schwingankerpumpe 30 abheben und Hydraulikflüssigkeit durch die Öffnung 42 in den Arbeitsraum 24 (Fig. 1) gefördert wird. Bei Gleichgewicht zwischen Kolbenkraft und Gegenkraft der Rückstellfeder 26 hört die Förderung auf. Der Druck vor und hinter der Membran 50 gleicht sich infolgedessen nahezu aus, wobei sich die Membran 50 geringfügig vom Ventilsitz 54 abheben wird und eine sehr kleine Leckmenge Hydraulikflüssigkeit durch den Rückströmkanal 44 in den Vorratsraum 20 entweichen kann.

Sinkt der Förderdruck der Schwingankerpumpe 30, so ist der Druck im Arbeitsraum 24 höher und bewirkt, daß die Membran 50 in ihre Ruhelage zurückkehrt. Dabei hebt sie sich vom Ven­ tilsitz 54 ab und gibt den Rückströmkanal 44 frei, durch welchen nun Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsraum 20 zu­ rückfließt, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt.

Empfindlichkeit und Durchflußmenge des Rückströmventils 28 lassen sich auf einfache Weise durch die entsprechende Wahl der Abmessungen beeinflussen.

Die Schwingankerpumpe 30 ist vorzugsweise für eine Nenn­ spannung von beispielsweise 220 V oder 24 V bei einer Frequenz von 50 Hz bemessen.

Das vom Regler 64 zu liefernde Stellsignal sollte eine Spannung zwischen etwa 30% und 100% der Nennspannung auf­ weisen. Dies kann in Form einer Änderung der Sinus-Span­ nung, beispielsweise über einen Regeltransformator oder durch Phasenanschnittsteuerung erfolgen.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb wird die span­ nungsabhängige stetige Arbeitscharakteristik der Schwing­ ankerpumpe zur Erzielung einer stetigen Ver­ stellbarkeit des Stellantriebs 62 ausgenutzt. Das anhand der Fig. 2 beschriebene Rückströmventil 28 ist imstande, bei sehr kleinen Druckdifferenzen zuverlässig zu arbeiten, da es nur ein einziges bewegliches Teil, nämlich die rei­ bungsarm bewegbare Membran 50 als Absperrorgan aufweist.

Die Verwendung der den Kolben 14 abdichtenden Rollmembran 16, welche vorzugsweise eine dünnwandige Rollmembran ist, setzt der Betätigung des Kolbens 14 kaum einen Widerstand entgegen, so daß nur geringe Vorschubkräfte erforderlich sind. Für kleine Antriebswege können auch Metall Faltenbälge verwendet werden, welche reibungsfrei arbeiten. Die Verwendung einer Rollmembran oder eines Faltenbalges sowie die Ausführung des Rückströmventils mit Membran als ein­ ziges bewegliches Element bilden wesentliche Voraussetzun­ gen zur Erzielung einer stetigen Arbeitscharakteristik bei einem mit nur zwei Drähten gespeisten, gegen die Kraft einer Rückstellfeder arbeitenden Stellantrieb.

Durch die Erfindung wird somit nicht nur die Konstruktion eines solchen Stellantriebes, sondern auch die elektrische Installation in der zu regelnden Anlage vereinfacht. Fer­ ner gewährleisten die wenigen beweglichen Teile einen weitgehend störungsarmen Betrieb.

Claims (8)

1. Elektrohydraulischer Stellantrieb für stetige Regelung, mit einer elektromagnetischen Schwingan­ kerpumpe (30) zur Erzeugung eines veränderbaren Drucks in einer Arbeitskammer (24) in Abhängigkeit eines der Schwingankerpumpe (30) in Form eines Wechselstrom­ signals veränderbarer Spannung zugeführten Stellsig­ nals, um ein Betätigungsglied (14) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (26) stetig zu verstellen und mit einem Rückströmkanal (44) zwischen der Arbeits­ kammer (24) und einer mit einer Hydraulikflüssigkeit (18) gefüllten Vorratskammer (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmung durch den Rückströmkanal (44) mittels eines Rückströmventils (28) in Abhängigkeit von dem durch die Schwingankerpumpe (30) erzeugten Pumpendruck steuerbar ist und daß das Rückströmventil (28) ein Membranventil ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) des Rückströmventils (28) zwi­ schen der Druckseite der Schwingankerpumpe (30) und der Arbeitskammer (24) des Betätigungsglieds (14) oder einer mit der Arbeitskammer (24) verbundenen Zwi­ schenkammer (58) angeordnet ist und daß arbeitskam­ merseitig ein mit der Membran (50) zusammenwirkender Ventilsitz (54) angeordnet ist, dessen durch die Membran (50) verschließbare Öffnung in den Rückström­ kanal (44) mündet.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) abseits von der mit dem Ventil­ sitz (54) zusammenwirkenden Stelle mindestens eine Öffnung (60) aufweist, die bei der in der Ruhelage gegen eine Fläche anliegenden Membran (50) durch die­ se Fläche verschlossen ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Schwingankerpumpe (30) durch einen Kanal (52) gebildet ist, welcher dem Ventil­ sitz (54) in der Mitte der Membran (50) axial gegen­ überliegt.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (50) eine kreisförmige dünnwandige Metallscheibe ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückströmventil (28) zusammen mit der Schwing­ ankerpumpe (30) mindestens teilweise innerhalb eines als Betätigungsglied dienenden becherförmigen Kol­ bens (14) montiert ist, dessen Kolbenstange (34) an der Schwingankerpumpe (30) befestigt ist.

7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem zylindrischen Gehäuse (10, 12) ge­ führte Kolben (14) mittels einer Rollmembran (16) oder eines Metallfaltenbalges gegen die Zylinderwand abgedichtet ist, während die Kolbenstange (34) durch eine O-Ring-Dichtung (38) hindurch aus dem Gehäuse (12) herausgeführt ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Arbeitskammer (24) entgegengesetzten Seite des Kolbens der Vorratsraum der Hydraulikflüs­ sigkeit (18) angeordnet ist.