DE671294C - Hydraulischer Servomotor mit Druckfluessigkeitsspeicher fuer Regler - Google Patents

Hydraulischer Servomotor mit Druckfluessigkeitsspeicher fuer Regler

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DE671294C
DE671294C DER93274D DER0093274D DE671294C DE 671294 C DE671294 C DE 671294C DE R93274 D DER93274 D DE R93274D DE R0093274 D DER0093274 D DE R0093274D DE 671294 C DE671294 C DE 671294C
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D13/00Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover

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Description

  • Hydraulischer Servomotor mit Druckflüssigkeitsspeicher für Regler Die Erfindung bezieht sich auf einen Servomotor, der mittels einer Druckflüssigkeit eine Regelvorrichtung verstellt. Bei derartigen Servomotoren, z. B. für Geschwindigkeitsregler von Wasserturbinen, ist es bekannt, die Speicherflüssigkeit unter Druck zu speichern, um rasche Regelbewegungen von großer Stärke bei einer verhältnismäßig kleinen Pumpenanlage für das Drucköl zu ermöglichen. Bei diesen bekannten Anlagen ist ein besonderer Speicherbehälter außerhalb des Servomotors vorgesehen, wobei ein Druckluftpolster in dem Speicherbehälter zur Aufspeicherung der Druckenergien dient. Bei anderen bekannten Ausführungen befindet sich in dem besonderen Speicherbehälter über dem Drucköl ein gewichtsbelasteter Kolben, der sich beim Füllen des Ölspeichers hebt und beim Entleeren senkt.
  • Die Erfindung bezweckt eine Vereinfachung und Verbesserung der bekannten Anlagen und besteht im wesentlichen darin, daß der Speicherraum innerhalb des Zylinders des Servomotors angeordnet und teilweise durch die Zylinderwandung gebildet wird. Durch diese Maßnahme wird ein besonderer Speicherbehälter für das Drucköl überflüssig. Auch die bei den bekannten Anlagen notwendigen Verbindungsleitungen zwischen dem Speicherbehälter und dem Servomotor kommen in Wegfall. Die durch diese Leitungen bedingten Druckverluste werden daher vermieden. Durch den. Zusammenbau des Speichers mit dem Servomotor ergibt sich somit eine besonders einfache, billige und in sich geschlossene Anlage.
  • Der Zusammenbau des Speicherraumes mit dem Servomotorzylinder wird zweckmäßigerweise derart durchgeführt, daß der Kolben des Servomotors in bei Servomotoren bekannter Weise als Differentialkolben ausgebildet wird und der Speicherraum einerseits durch die kleine Fläche des Differentialkolbens und andererseits durch einen besonderen Speicherkolben begrenzt wird. Der Speicherkolben steht unter der Einwirkung einer Gegenkraft, z. B. einer Feder.
  • Man kann den Speicherkolben ringförmig ausbilden. Seine Außenfläche gleitet alsdann an der Innenwand des Servomotorzylinders, während die Innenfläche des Kolbens auf einem Ansatz des Differentialkolbens läuft.
  • Während bei bekannten Regelanlagen eine besondere Feder für .den Servomotor und eine weitere Feder oder eine zusätzliche Belastung durch Gewicht oder Druckluft für den Druckflüssigkeitsspeicher vorgesehen sind, ist erfindungsgemäß nur eine einzige Feder notwendig, die sowohl zur Speicherung der Druckenergie der Flüssigkeit als auch zur Belastung des Servomotörkolbens dient, wobei bei entladenem Speicher die Feder den Speicherkolben an einen Anschlag des Servomotorkolbens drückt und beide Kolben gleichzeitig verstellt. Dadurch wird die Anlage entsprechend verbilligt und eine erhebliche Raumersparnis erzielt: Der Speicherraum kann :durch Regelventile an die Flüssigkeitspumpe oder'an den Steuerkolben des Servomotors angeschlossen sein. Die Regelventile werden dabei von dem Druck des Öles derart gesteuert, daß Drucköl nur dann in den Speicher übertritt, wenn es für den Betrieb des Servomotors nicht benötigt wird; und daß der Olauslaß aus dem Speicher nur geöffnet wird, wenn das Drucköl der Pumpe zum Betrieb des Servomotors nicht ausreicht. Eine wesentliche Vereinfachung erzielt man dadurch, daß der Speicherraum sowohl mit der Druckseite der Flüssigkeitspumpe als auch mit dem Steuerkolben des Servomotors in ständig offener Verbindung steht.
  • Ganz besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn der Servomotor mit Druckflüssigkeitsspeicher und die Pumpe nebst Antriebsmotor in der gleichen Mittelachse angeordnet und mit dem Impulsgeber und Ölbehälter zu einer einbau- und betriebsfertigen Einlieit zusammengebaut sind. Bei derartigen sogenannten Einheitsreglern ermöglicht der eingebaute Regelspeicher, mit einer sehr kleinen Pumpe und einem sehr kleinen Elektromotor für etwa ein Fünftel der bisherigen Leistung auszukommen. Vorliegende Erfindung trägt wesentlich dazu bei, eine geschlossene Regeleinheit zu schaffen, :die wie eine betriebsfertige Maschine ohne besondere Montage einzelner Teile eingebaut und bei.spielsweise durch einen einfachen Steckkontakt an die elektrische Leitung angeschlossen wird.
  • Falls es aus irgendwelchen Gründen zweckmäßig erscheint, mehrere, beispielsweise dicht nebeneinander aufgestellte Regelvorrichtungen nach der Erfindung an ein gemeinsames Pumpenaggregat anzuschließen, so sind in den Abzweigleitungen zu .den einzelnen Servomotoren Drosselstellen o. dgl. angeordnet, die den Zulauf der Druckflüssigkeit begrenzen. Dies gehört jedoch nicht zur Erfindung.
  • Die Abb. i bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Abb. r ist ein Schnitt durch eine Regelvorrichtung, .die ein in eine Dampfleitung einsgebautes Ventil in Abhängigkeit vom Dampfdruck einstellt. Die einzelnen Teile der Regelanlage sind zu einem sogenanten Einheitsregler zusammengebaut. Hierunter versteht man eine komplette Regelanlage, die in .der Werkstatt zu einer einbäu-und betriebsfertigen Einheit zusammengebaut ist und die am Aufstellungsort nur noch an die Rohrleitungen angeschlossen werden braucht.
  • Die Abb. z bis ,4 zeigen schematisch die Stellung des Speicherkolbens und Servomotorkolbens in den verschiedenen Grenzlagen. In Abb. 2 ist das Ventil ganz geöffnet bei vollaufgeladenem Regelspeicher. In Abb.3 ist das Ventil ebenfalls ganz offen, der Regelspeicher aber vollständig entleert. In Abb. 4 ist das Ventil geschlossen und der Regelspeicher entleert. Um .die vielseitige Verwendbarkeit der Erfindung zu erläutern, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i ein Druckregler vorgesehen, während nach Abb. a angenommen ist, daß der Servomotor durch einen Geschwindigkeitsregler gesteuert wird.
  • In Abb. i stimmt die Stellung der beiden Kolben mit derjenigen in Abb. 4 überein. Die dargestellte Stellung des Ventils, Servomotors und Speicherkolbens entspricht der Stellung der Anlage, wenn diese außer Betrieb und die Ölpumpe abgestellt ist.
  • Abb. 5 ist ein Diagramm, .das den Öldruck im Speicherraum in Abhängigkeit von der Stellung des Speicherkolbens (entsprechend Abb. :2 bis 4) angibt.
  • Nach Abb. 6 sind zwei Regelvorrichtungen an eine gemeinsame Ölpumpe angeschlossen. Nach Abb. i ist das Regelventil r als Doppelsitzventil mit den Tellern :2 ausgebildet. Das Ventilgehäuse ist durch ein Zwischenstück 3 mit dem Servomotorzylinder 4 verbunden. Der als Differentialkolben ausgeführte Servomotorkolben 5 ist mit den Ventiltellern durch die Spindel 6 verbunden. , Der Servömotorkolben besitzt einen zylindrischen Ansatz 7, der als Lauffläche für den ringförmigen Speicherkolben S dient. Die äußere Lauffläche des Speicherkolbens ist die Innenfläche des Servomotorzylinders 4.
  • Die Feder 9 drückt in der in Abb. i gezeichneten Stellung den Speicherkolben S gegen den Anschlag des Servomotorkolbens 5 und hält dadurch das Ventil geschlossen.
  • Die Ölpumpe ist mit io, der Elektromotor mit i i bezeichnet. Das Drucköl wird durch den Stutzen 1a aus dem Öltank 13 angesaugt. 14 ist die Überlaufleitung; durch die bei voll- i aufgeladenem Speicher (Abb: a) das zuviel geförderte 01 in den Öltank zurückläuft. Durch die Bohrung 15 soll etwaiges Lecköl in den Ölbehälter abfließen.
  • Der Impuls (Dampfdruck) wird durch die Leitung 16 auf das Relais 17 übertragen, das mittels eines in der Abb. i nicht sichtbaren Steuerkolbens o. dgl. ,den Zu- und Abflüß der Steuerflüssigkeit zu bzw. vom Servomotor regelt.
  • In der schematischen Darstellung in Abb. 2 ist der Impulsgeber ein Geschwindigkeitsregier 18, der einen Steuerkolben ig verstellt. Der Speicherraum 2o liegt zwischen dein Speicherkolben 8 und dem Servomotorkolben 5 und ist durch die Leitung 21 an die Druckleitung 22 der Pumpe io angeschlossen.
  • Bei steigernder Drehzahl drückt der Geschwindigkeitsregler 18 den Steuerkolben ig nach unten und läßt Drucköl durch Leitung 23 aus dem Servomotorzylinder, wie durch Pfeil 24 angegeben, abströmen. Dadurch entsteht auf der rechten Seite des Servomotorkolbens ein Unterdruck, und der Kolben mit der Ventilspindel wird nach rechts bewegt, d. h. das Ventil geschlossen.
  • Bei sinkender Drehzahl wird der Steuerkolben 19 angehoben, und Drucköl fließt durch die Leitung 23 in den Servomotorzylinder, wodurch der Servomotorkolben 5 nach links bewegt und das Ventil i geöffnet wird.
  • Die Wirkungsweise des Regelspeichers wird am besten von Abb. q. ausgehend betrachtet, in der das Ventil i geschlossen und der Regelspeicher entleert ist. Der Speicherkolben ist dabei durch die Feder q an den Servomotorkolben 5 und dieser in seine rechte Endstellung gedrückt.
  • Dies ist der Fall, wenn die Ölpumpe 1o stillsteht, d. h. der Öldruck gleich Null ist. Wird nun die Ölpumpe in Betrieb gesetzt und ferner angenommen, daß der Steuerkolben ig sich in seiner Mittellage befindet, so steigt vorerst nur der Öldruck im Speicherrauen 2o. Die Feder g ist beispielsweise so bemessen, daß der Speicherkolben 8 bei steigendem Öldruck im Raum 2o sich erst zu bewegen anfängt, wenn der Öldruck 2 kg/cm= überschreitet, wie dies auch aus dem Diagramm Abb. 5 hervorgeht.
  • Steigt nun der Druck im Speicherraum 2o weiter an, dann bewegt sich der Speicherkolben 8 nach links, bis er bei Erreichung des höchsten Druckes von d. kg/cm@ den Überlauf 14 öffnet. Der Speicherkolben 8 dient also gleichzeitig als Druckbegrenzungsventil für die Ölpumpe, so daß das sonst hierfür übliche besondere Ventil wegfällt.
  • Nach dem bisher beschriebenen Vorgang ist der Speicher nunmehr aufgeladen, und im Speicherraum 2o herrscht ein Druck von 4. Atm. Diese Stellung ist in den Abbildungen nicht dargestellt.
  • Ist die Drehzahl der Maschine niedriger als die normale Drehzahl, so sind die Kugeln des Geschwindigkeitsreglers 18 in einer tieferen Stellung als bei normalem Betrieb, und infolge davon ist der Steuerkolben ig über seine Mittellage angehoben. Der Steuerkolben ig ist als Doppelkolben ausgebildet. Den Zufluß oder Abfluß des Öles regelt aber nur der obere der beiden Kolben. Der untere Kolben dient lediglich zum Druckausgleich. Da, wie vorhin angenommen, der Kolben ig über seiner in Abb. 2 dargestellten Mittellage sich befindet, so ist der Zufluß des Öles von der Pumpe io durch die Leitung 23 in :den Druckraum 25 des Servomotorzylinders freigegeben. Das in den Raum 25 eintretende Öl drückt den Servomotorkolben 5 nach links und bewirkt ein Öffnen des Ventils i, so daß Dampf zu der Kraftmaschine, deren Geschwindigkeitsregler 18 in dem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, strömt.
  • Reicht nun die von der Pumpe io .geförderte Ölmenge nicht aus, um Ventil i genügend rasch zu öffnen, so wird die Drehzahl, der Maschine weiter sinken, und der Steuerkolben ig wird durch die tiefer gehenden Kugeln des Geschwindigkeitsreglers noch mehr angehoben, so daß der Eintrittsquerschnitt sich vergrößert. Hierdurch tritt in der Leitung 21 hinter der Pumpe io ein Druckabfall ein, der sich auch bis zum Speicherraum 2o fortpflanzt. Infolge davon wird Öl aus dem Speicherraum 2o durch die Feder g. und den Speicherkolben 8 herausgedrückt und gelangt über die Leitung 21 und 23 zusammen mit dem von der Pumpe io geförderten Öl in den Druckraum 2:5. In dem beschriebenen Falle strömt also nicht nur Öl von der Pumpe io in .den Druckraum 25, sondern es wird auch durch die Feder g und den Speicherkolben 8 Drucköl von der einen Seite des Differentialkolbens über den Steuerkolben 1g auf die andere Seite des Differentialkolbens gepreßt. Der Steuerkolben 8 und der Differentialkolben 5 bewegen sich in entgegengesetzter Richtung. Der Raum zwischen den beiden Kolben, d. h. der Speicherraum 20, windverkleinert und somit der Speicher selbst in der beschriebenen Weise entladen.
  • Nimmt man bei der in Abb. 3 gezeichneten Stellung an, daß der Geschwindigkeitsregler und damit auch der Steuerkolben ig in seiner Mittellage sich befindet, so wird das von der Pumpe io geförderte Öl in den Raum 2o gedrückt und dadurch der Speicherraum gefüllt, indem unter Drucksteigerung der Speicherkolben 8 gegen die Feder g nach links gedrückt wird. Man gelangt dadurch zu der in Abb. 2 dargestellten Stellung.
  • Die Pumpe io fördert gleichmäßig eine verhältnismäßig kleine Ölmenge. Wird zur Verstellung des Servomotorkolbens bei plötzlich auftretenden Impulsen mehr Öl benötigt, als die Pumpe io liefert, so wird die fehlende Ölmenge aus dem Speicherraum 2o selbsttätig entnommen. Wenn umgekehrt die Pumpe io mehr Öl fördert, als für den Betrieb des Servomotors erforderlich ist, so geht die überschüssige Ölmenge in den Speicherraum 20, wodurch der Speicheraufgeladen wird. Ist in dem Speicher 2o der Höchstdruck erreicht, so fließt das überschüssige Öl über die Leitung 1d. in den Ölbehälter zurück.
  • Der Differentialkolben 5 wird zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß die wirksamen Flächen des Kolbens im Verhältnis 2 : i stellen. Im Gleichgewichtszustand des Reglers muß somit der Druck im Raume 25, abgesehen von der Ungleichförmigkeit des Regelorgans, gleich dem halben Druck im Raume 20 sein. Ferner wird der gesamte Hub des Speicherkolbens 8 zweckmäßigerweise doppelt so groß wie :der volle Hub des Servomotorkolbens 5 gewählt.
  • Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Servomotorkolben selbst bei sehr kleiner Fördermenge der Ölpumpe außerordentlich rasch von seiner Schließstellung in seine Oftenstellung bewegt werden kann.
  • Nimmt man z. B. an, daß das Ventil ganz geschlossen und der Speicher ganz geladen ist und daß nun der Steuerkolben plötzlich sehr weit öffnet, dann bewegt sich der Servomotorkolben 5 von der in Abb. .4 gezeichneten Stellung in die in Abb. 3 gezeichnete Lage. Der Speicherkolben 8 geht dagegen von der in Abb. 2 dargestellten Lage in die in Abb. 3 gezeichnete Stellung.
  • Offenbar ist dabei das aus dem Speicherraum 20 verdrängte Ölvolumen gleich dem in den Raum 25 eingetretenen Ölvolumen, @da die Fläche des Speicherkolbens 8 zwar halb so groß ist wie die. rechte Fläche des Servoniotorkolbens 5, der gesamte Verdrängungshub im Speicherraum 2o durch die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben dagegen doppelt so groß wie im Raume 25.
  • Die Abmessung der Speicherräume und der Kolbenhübe kann na,ürli,-h auch in anderer Weise als in vorstehendem Beispiel gewählt werden. Die Größe des Speicherraumes wird bemessen nach der Anzahl der Impulse in der Zeiteinheit und nach der absoluten Größe der Impulse.
  • Nach Abb. 6 sind zwei Servomotoren 26 und 27 an eine einzige Ölpumpe io angeschlossen. Wären in den Abzweigleitungen 28, 29 die Drosselvorrichtungen 30 und 31 nicht vorhanden, so würde infolge der kürzeren Entfernung der größte Teil des von der Pumpe io gelieferten Öles in den Servomotor 27 strömen, so daß es Schwierigkeiten bereiten würde; den im Servomotor 26 angeordneten Speicher aufzuladen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind die eingezeichneten Drosselvorrichtungen 30 und 31 in den Abzweigleitungen angeordnet: Die Drosselvorrichtungen sind so zu bemessen, daß durch jede dieser Vorrichtungen `etwa die Hälfte der von der Pumpe io geförderten Ölmenge strömt. Wenn nunmehr in dem Servomotor 27 plötzlich viel Öl benötigt wird, so kann es nicht mehr vorkommen, daß der Servomotor 27 die für den Servomotor :26> benötigte Ölmenge wegnimmt.
  • Die Erfindung kann für Servomotoren verwendet werden, die zur Übertragung der verschiedensten Impulse auf beliebige Regel-oder Absperrvorrichtungen dienen. Als Impulse können Drücke, Temperaturen, Mengen; elektrische Größen odersonstige Impulse verwendet werden. Die Regelvorrichtung kann in Absperrventilen, Schiebern für Dampf, Gase, Wasser oder andere Medien oder in sonstigen Einrichtungen, wie Einstellvorrichtungen für elektrische Widerstände o. dgl., bestehen.
  • Die Erfindung ist auch unabhängig davon, mit welchen Mitteln der Impuls auf die Druckflüssigkeit übertragen wird.

Claims (1)

  1. PA TRNTANSPRÜCillr,: i. Servomotor, der mittels einer teilweise unter Druck gespeicherten Druckflüssigkeit eine Regelvorrichtung verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum- (20) für die Druckflüssigkeit innerhalb des Zylinders (4.) des Servomotors angeordnet und teilweise durch die Zylinderwandung gebildet ist. Servomotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben des Servomotors in an sich bekannter Weise als Differentialkolben (5) ausgebildet und der Speicherraum einerseits von der kleinen Fläche des Differentialkolbens (5) und andererseits von einem Kolben (8) begrenzt ist, auf den eine Gegenkraft (Feder 9 o. dgl.) einwirkt. 3. Servomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (8) ringförmig ausgebildet ist und seine Außenfläche .an der Innenwand des Servomotorzylinders (d.) und seine Innenfläche auf einem Ansatz (7) des Differentialkolbens (5) gleitet. q.. Servomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Feder (9) sowohl zur Speicherung der Druckenergie der Flüssigkeit als auch zur Belastung des Servomotorkolbens (5) dient und daß bei entladenem Speicher (2o) die Feder (9) den Speicherkolben (8) an einen Anschlag des Servornötorkolbens (5) drückt und beide Kolben gleichzeitig verstellt. 5. Servomotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum (2o) mit der Druckseite der Flüssigkeitspumpe (io) und dem Steuerkolben (i9) des Servomotors in ständig offener Verbindung steht. 6. Servomotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (8) bei Erreichen des höchsten Flüssigkeitsdruckes im Speicherraum (2o) eine Öffnung (14) freigibt, durch die überschüssige Druckflüssigkeit austreten kann. 7. Servomotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Speicherraum (2o), Servornotorzylinder (.4), Ölpumpe (10) und Antriebsmotor (i i) in derselben Mittelachse .angeordnet und mit dem Impulsgeber (17) und dem Öltank (13) zu einer einbau- und betriebsfertigen Einheit zusammengebaut sind.
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