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Anordnung für Servoantriebe Mechanische oder hydraulische Servoantriebee
arbeiten mit einer dauernd umlaufenden, von einem Motor angetriebenen Hilfswelle,
von der das .durch die Eingangswelle gesteuerte, an der Abtriebswelle benötigte
Drehmoment beispielsweise durch mechanische oder hydraulische Reibungsübertragung
abgenommen wird. Bei ,den bekannten Einrichtungen dieser Art läuft der Antriebsmotor
der Hilfswelle mit konstanter bzw. nur von dem abgegebenen Drehmoment abhängiger
Drehzahl. Es besteht ,dabei dauernd ein bestimmter, von der Belastung .der Abtriebswel.le
und .der Größe des steuernden Moments abhängiger Kraftschluß zwischen den von der
Hilfswelle angetriebenen Gliedern, z. B. Reibtrommeln, und den mit .der Abtriebswelle
verbundenen Gliedern, z. B. auf den Reibtrommeln schleifenden Bremsringen. Auch
bei unbelasteter Abtriebswelle eines solchen Drehmomentverstärkers ergibt sich .dabei
eine unter Umständen beträchtliche Verlustleistung; .die laufend an den Reibflächen
der Anordnung vernichtet, d. h. deren Ver-Lustwärme von den Reibflächen nach außen
abgeführt werden, muß. Bei starker Aussteuerung des Servoantriebs, d. h. bei großer
Richtgeschwindigkeit an der Steuer- und Abtriebswelle, wird der Schlupf zwischen
Hilfswelle und Abtriebswelle un,d ,damit zwischen den Reibungsgliedern kleiner und
kann schließlich Null werden. Entsprechend sinken auch die Reibungsverluste. Wird
dagegen die Steuerwelle nicht oder nur sehr langsam gedreht und muß gleichzeitig
ein großes Belastungsmoment raufgenommen oder überwunden werden, wie dies beispielsweise
bei der Verwendung derartiger Servoantriebe zur Venstellung von Bordwaffen
auf
Flugzeugender Fall ist, wenn die Waffe längere Zeit senkrecht zur Flugrichtung eingestellt,
d. h. .dem vollen Winddruck ausgesetzt bleiben soll, so können die Reibungsverluste
und damit die Verlustwärme in den Reibgliedern ungünstigenfalls so groß werden,
daß .das. Reibmaterial seine Eigenschaften ändert (Erweichung, Verringerung des
Reibungskoeffizienten) und der Verstärkungsfaktor .des Dnehmomentwand!lerns stark
abfällt. Die Erfindung löst diese Schwierigkeiten dadurch, d-aß sie die im Inneren
des mit Reibungs:übertragung arbeitenden 2rehmomentverstärkers entstehenden Reibungsverluste
und damit die entstehende Verlustwärme stark herabsetzt, indem sie einen wesentlichen
Teil .dieser Verlustwärmeentwicklüng an eine andere Stelle der Gesamtanordnung verlegt,
die bezüglich der Wärmeabfuhr unabhängig vom Aufstellungsort .des eigentlichen Drehmomentverstärkers
gewählt werden kann; auf .diese Weise kann der mit Reibungsübertragung arbeitende
Drehmomentvenstäxker selbst für eine bedeutend höhere Belastung verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist zur Verringerung der im Drehmomentwandler entstehenden Verluste
und der hierdurch bedingten Wärmeabfuhr am Antrieb der Hilfswelle eine von der Belastung
bzw. von der Drehzahl .der Abtriebswelle abhängige Regelung vorgesehen. Handelt
es sich um Servoantriebe, bei denen imwesentlichen nur @dieBelastung inweiteren
Grenzen schwankt, während die Drehzahlen sich vielleicht nur im Bereich sehr kleiner
Verstellgeschwindigkeiten bewegen" so reicht eine belastungsabhängige Regelung der
Dreh=zahl der Hilfswelle aus. Ist umgekehrt mit starken Drehzahlschwankungen der
Abtriebswelle des Drehmomentverstärkers bei etwa gleichbleibender Belastung zu rechnen,
so genügt eine von .der Drehzahl der Abtriebswelle abhängige Regelung des Hilf swellenantriebs.
Normalerweise allerdings wird es erforderlich. sein, beide Regelmöglichkeiten Cr
eichzeitig vorzusehen, da die meisten Servoantriebe, insbesondere soweit sie für
die Verstellung von Waffen etwa auf Flugzeugen dienen, sowohl hinsichtlich der Richtgeschwindigkeit
als auch hinsichtlich der auftretenden Lastmomente unter stark schwankenden Bedingungen
arbeiten müssen. Durch die Regelung wird erreicht, ,daß bei geringer Drehzahl und/oder
Belastung der Abtriebawelle auch die Drehzahl .der Hilfswelle stark herabgesetzt
ist, beispielsweise auf etwa io°/o der normalen Höchstdrehzahl. Hierdurch wird ein
bedeutend kleinerer Schlupf zwischen ,den einzelnen Reibgliedern und dadurch eine
geringere Verlustwärmeentwicklung im Drehmomentverstärker erzielt. Die Entstehung
.der Verlustleistung ist mit_ anderen Werten aus den Reibgliedern des- Drehmo@mentverstärkers
heraus in den Regelapparat des Hilfswellenantriebs verlegt, der leicht so ausgebildet
werden kann, daß die dort entstehende Verlustwärme kein Problem mehr stellt.
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Wird die Hilfswelle, wie dies häufig der Fall ist, über einen elektrischen
Antriebsmotor angetrieben, so wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens dieser
Antriebsmotor an das Netz über einen Regelwiderstand angeschlossen, der entgegen
der Kraft einer Rückstellfeder mit wachsender Belastung und/oder Drehzahl der Abtriebswelle
des Drehmomentverstärkers selbsttätig im Sinne einer Verkleinerung verstellbar ist.
Beim Höchstlastmoment bzw. bei .der Höchstdrehzahl an der Abtriebs--welle wird .dabei
zweckmäßig ein vollständiger Kurzschluß dieses vorgeschalteten Regelwiderstandes
erreicht, so daß dann der Antriebsmotor der Hilfswelle mit seiner unter den gegebenen
Belastungsverhältnissen erreichbaren Höchstdrehzahl umläuft.
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Durch die Anwendung des Erfindungsgedankens wird die Drehzahl der
Abtriebswelle im wesentlichen immer nur um einen solchen Betrag größer als die jeweilige
Drehzahl der Abtriebswelle gehalten, -daß der Schlupf zwischen den Reibgliedern
des Drehmomentverstärkers einerseits klein genug bleibt, um unnütze Reibungsverluste
zu vermeiden, andererseits groß genug, um .das jeweils von der Abtriebswelle angeforderte
Lastmoment durch Reibungsübertragung an der Hilfswelle abnehmen zu können. Zwischen
den Reibgliedern des Drehmomentverstärkers entsteht also im wesentlichen nur noch
dann Verlustwärme, wenn .dies die übertragung großer Lastmomente erfordert. Bei
der normalen Betriebsweise solcher Servoantriebe werden solche großen Lastmomente
nicht dauernd, sondern nur über verhältnismäßig kurze Zeiten angefordert. Während
der Zeiten, in denen der Antrieb mehr-oder weniger leer läuft, arbeitet der Verstärker
der Erfindung nur noch mit herabgesetzten Eigenverlusten, so daß die Erwärmung auch
über längere Betriebszeiten hinweg sich in beherrschbaren Grenzen hält und die Verstärkungseigenschaften
des Antriebs auch bei Dauerbetrieb nicht beeinträchtigt werden.
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Die Durchführung des Erfindungsgedankens kann auf verschiedene Weise
erfolgen. So läßt sich beispielsweise eine drehzahlabhängige Regelung bewerkstelligen,
indem mit .der A,btriebswelle des Drehmomentverstärkers ein auf den Regelwiderstand
des Hilf swellenantriebs wirkender Fliehkraftregler bekannter Bauart gekuppelt ist.
Eine lastabhängige Regelung der Hilfswelle ist beispielsweise durch Einbau einer
Torsionsfederkupplung zwischen der Hilfswelle und dem Antriebsmotor derselben möglich;
die beiden belastungsabhängig gegeneinander verdreh,baren Hälften ,dieser Kupplung
sind dabei mit dem Regelwiderstand :des Antriebsmotors bzw. mit dem zugehörigen
Kontaktabgriff verbunden. _ Eine sehematrclhe Darstellung einer solchen Torsiänsfederkupplung
gibt die Fig. i der Zeichnung. Die Welle i des Antriebsmotors io trägt die eine
Kupplungshälfte 7, die Hilfswelle 2 des Drehmomentverstärkers die andere Hälfte
$. Beide Hälften .sind über die Torsionsdeder 3 miteinander verbunden und besitzen
feste Kupplungsanschläge6, die einerseits im entlasteten Zustand eine Vorspannung
der Torsionsfeder 3 .sichern und andererseits bei volles Belastung die gegenseitige
Verdrehung
der beiden Kupplungshälften 7 und 8 auf einen Betrag
begrenzen, der mit der vollen Regelauslenkung des Regelwiderstandes übereinstimmt.
Der Regelwiderstand 5 ist zu diosem Zweckbeispielsweise als ringförmig gewickelter
Drahtwiderstand mit der Welle 2 bzw. der einen Kupplungshälfte 8 fest verbunden,
während der zugehörige Kontaktabgriff .4 mit der Welle i ,bzw. der Kupplungshälfte
7 in gleicher Weise fest verbunden ist, so daß bei Verdrehung der Torsionsfeder
auch der Regelabgriff am Widerstand 5 entsprechend geändert wird.
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Soll etwa eine drehzahlabhängige und eine belastungsabhängige Regelung
mittels eines Fliehkraftreglers und einer Torsionsfe.derkupplung kombiniert werden,
so kann zweckmäßig der Antriebsmotor der Hilfswelle an .das Netz über die Kombination
zweier parallel geschalteter Regelwiderstände angeschlossen sein, von denen der
eine entsprechend Fig. i mit der Torsionsfederkupplung verbunden ist, während der
andere mit dem Fliehkraftregler zusammenarbeitet. DerRegelwidenstand kann aber auch
von dem mit der Torsionsfederkupplung baulich vereinigten Steuerorgan getrennt werden.
Die Anordnung 5 der Fi:g. i ist dann beispielsweise als Kontaktreihe zu denken,
wobei die Kontakte über eine der Anzahl der Kontakte entsprechende Zahl von Zuleitungen
und Schleifringen 9 .mit dem fest angeordneten Reegelwiderstand zu verbinden sind.
In diesem Fall kann ein und derselbe Regelwiderstand auch. für die drehzahlabhängige
Regelung, beispielsweise mit Hilfe eines zweiten, unabhängig beweglichen Kontaktabt'
benutzt werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.2 dargestellt.
Der Antriebsmotor der Hilfswelle des Drehmomentvers:tärkers ist wieder mit io bezeichnet.
Er ist an das Netz. i i erfindungsgemäß über einen vorgeschalteten Regelwiderstand
12 angeschlossen.; dessen Kontaktabgriff 16 mittels der Rückstellfeder i3 normalerweise
in der Endlage entsprechend einer vollen Einschaltung des Regelwiderstandes gehalten
ist, jedoch durch Betätigung der Welle i.4 über das Getriebe 15 im Sinne einer allmählichen
Kurzschließung des Widerstandes verstellt werden kann. Die Welle 14 wird bei lastabhängiger
Regelung durch einen Motor 17 angetrieben, der zweckmäßig als fremderregter oder
in Nebenschluß, geschalteter Gleichstrommotor an die Klemmen eines Vorwiderstandes
18 im Stromkreis des Antriebsmotors io angeschlossen ist. Bei wachsender
Belastung des Drehmomentverstärkers wächst auch der Strom des Motors io und damit
der Spannungsabfall am Widerstand 18. Infolgedessen steigt die Spannung und das
Drehmoment der Hilfsmaschine 17, so daß der Kontakt 16 des Regelwiderstandes 12
entgegen der Rückstellfeder 13 verstellt wird. Hierdurch wird der Widerstand 12
so lange verringert, bis zwischen dem Moment der Maschine 17 und dem von
der Feder 13 ausgeübten Gegenmoment Gleichgewicht sich einstellt. Dieses
Gleichgewicht wird für jede Belastung des Motors io bei einem anderen Einstellwert
des Regelwiderstandes 12 erreicht. Wird die Belastung des Drehmomentverstärkers
wieder kleiner, so sinkt auch das Moment der Maschine 17 und der Kontaktabgriff
des Regelwiderstandes 12 wird unter der Einwirkung der Federkraft wieder im Sinn-,
einerVergrößerung des Regelwiderstandes 12 verstellt.
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In Fig. 2 ist gleichzeitig auch eine mit ähnlichen Mitteln arbeitende
drehzahlabhängige Regelung dargestellt. Von der Abtriebswelle 21 des Drehmomentverstärkers
2o wird über ein Getriebe 22 ein fremderregter Hilfsgenerator 23 angetrieben, der
einen mit der Welle 1d. gekuppelten Hilfsmotor 24 speist. Das Drehmoment des Hilfsmotors
2 hängt von der zugeführten Spannung und damit von der Drehzahl der Abtriebswelle
21 des Drehmomentverstärk ers ab. Brauchen nur Verstellungen des Servoantriebes
in einer Drehrichtung berücksichtigt zu werden, so wird der Motor 2.I zweCkmäßig
in Nebenschluß geschaltet, um einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen Drehzahl
und Verstellmoment an der Welle i- zu erhalten. In den meisten Fällen wird allerdings
.die Drehrichtung des Servoantriebs umkehrbar sein. Unt dann unabhängig von der
jeweiligen Drehrichtung den Regelwiderstand nur abhängig vom Absolutwert der Drehgeschwindigkeit
einstellen zu können, wird in solchen Fällen .der Motor 2.1 zwechmäliig als Hauptschlußmotor
geschaltet.
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Werden wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beide Motoren 17 und
24 über die gleiche Welle i.I mit dem Regelwiderstand gekuppelt, so erfolgt die
Regelung je nach Bedarf sowohl drehzahl- als auch belastungsabhängig. Die Wirkungsweise
der geschwindigkeitsabhängigen Regelung im Zusatnmenhang mit dem Regelwiderstand
ist grundsätzlich gleichartig mit dem beschriebenen Zusammenwirken des Motors
17 mit dem Regelwiderstand 12. Der Regelwiderstand 12 wird mit wachsender
Richtgeschwindigkeit des Antriebs mehr und mehr kurzgeschlossen, so daß der Antriebsmotor
erhöhte Klemmenspannung erhält. Hört die Richtbewegung auf oder wird sie langsamer,
so wirkt die Feder 13
dem Moment des Motors 24 entgegen und stellt den dem
neuenZustandentsprechendenWiderstandswert am Widerstand 12 ein. Die ganze Einrichtung
nach Fig. 2 kann mit Ausnahme des Hilfsgenerators 2 3 unabhängig vom Einbau des
Drehmomentverstärkers 2o an beliebiger Stelle angeordnet werden.
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Fig.3 zeigt eine andere Möglichkeit für die kombinierte Regelung des
Antriebsmotors io in Abhängigkeit von der Belastung .des Drehmomentverstärkers 2o
einerseits und seiner Drehzahl andererseits. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung
wird der Regelwiderstand 12 über ein Differentialgetriebe 3o verstellt; diesem wird
über das Zentralrad 31 die Drehzahl des Antriebsmotors io zugeführt, über das Zentralrad
32 die Ausgangsdrehzahl eines zweiten Differentialgetriebes .4o, während das Umlaufrad
33 mit dem Abgreifkontakt des Regelwiderstandes 12 gekuppelt ist, wie dies die Fig.
3 schematisch andeutet. Das Zentralrad 32 des Differentialgetriebes 30 ist
mit dem Umlaufrad 43 des Differentialgetriebes d.o gel@uppelt. Das Zentralrad 41
.dieses zweiten Differentialgetriebes
wird durch einen Hilfsmotor
5o mit gleichbleibender Drehzahl angetrieben, während das Zentralrad 42 mit der
A!btriebswedle .des Drehmoment verstärkers 2o gekuppelt ist. Mit 6o ist in Fig.
3 schematisch die Getriebeverbindung zwischen 'dem Antriebsmotor io und (der Hilfswelle
des Drehmomentverstärkers 2o angedeutet. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist
die folgende: Zunächst sei angenommen, daß .die Abtriebswelle des Verstärkers 2o
stillsteht und die Belastung dieser Welle schwankt. Das Zentralrad 41 wird ,durch
den Motor 5o mit konstanter Drehzahl angetrieben, das Zentralrad 3 1 vom
Antriebsmotor io mit der Leerlaufdrehzahl. Sind die Drehzahlender Zentralräder 3
i und 32 hierbei entgegengesetzt gleich, so steht das Umlaufrad 33 still. Die Anordnung
ist nun so bemessen, daß die. Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors io gerade entgegengesetzt
derjenigen Drehzahl ist, mit der das Zentralrad 32 über das Differentialgetriebe
4o vom Motor 5o bei stillstehender Abtriebswelle des Drehmömentverstärkers angetrieben
wird, und daß der mit dem Umlaufrad 33 verbundene Köntaktabgriff des Widerstandes
i2 sich, dabei in der Endstellung der Kontaktbahn befindet, in der der Widerstand
12 ganz eingeschaltet ist. Wird der Antrieb jetzt belastet, so sinkt die Drehzahl
des Motors io; damit läuft das Zentralrad 31 langsamer als bisher um, so daß das
Umlaufrad 33 sich und damit den Widerstand, 1.2 verstellt; der Regelwiderstand wird
also mit größer werdender Belastung des Antriebs zunehmend kurzgeschlossen und demzufolge
die Klemmenspannung ides Antriebsmotors io erhöht. Der Antriebsmotor wird wieder
beschleunigt,. bis die Drehzahlen der beiden Zentralräder 3= und 32
wieder
gleich sind. Wird anschließend dieBelastüng wieder geringer, so steigt die Drehzahl
des Zentralrades 31 und der Widerstand r2 wird zunehmend wieder vergrößert und der
des Antriebsmotors verzögert, bis der Widerstand bei Entlastung des Drehmomentverstärkers
wieder die Endstellung erreicht hat.
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Die gleiche Anordnung arbeitet, wenn bei konstant :angenommener Belastüngsdrehzabl-
Schwankungen der Abtriebswelle des Verstärkers 20 auftreten, folgendermaßen; Bei
einer Verstellbewegung möge sich das Zentralrad 42 rechtsläufig. drehen.
Dabei werde die Drehgeschwindigkeit des Umlaufrades 43 und idamit auch des Zentralrades
32 größer als unter dem bisher allein vorhandenen Einfluß des Hilfsmotors 50. Hierdurch
wird eine Verstellung des Umlaufrades. 33 hervorgerufen, die ebenfalls im
Sinne einer Kurzschließung des Widerstandes 12, und .damit einer Erhöhung der Klemmenspannung
des Antriebsmotors io wirksam ist. Nimmt die Drehzahl der Abtriebswelle des Verstärkers
20 wieder ab, so wird auch die Drehzahl des Zentralrades. 32 sich wieder
der ursprünglichen-Drehzahl (Leerlaufdrehzahl) nähern,- und. der Widerstand 12 wird
allmählich wieder eingeschaltet; bis bei Stillstand der Abtriebswelle des Verstärkers
wieder die herabgesetzte Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors io erreicht ist. Soll
der Verstärker für Ver,stellbewegunäen in beiden Richtungen benützt werden, so müßte
auch bei Linksdrehung derAbtriebswelle die imDifferentialgetriebe 4o gebildete Summendrehzahl
sich mit zunehmender Drehung der Abtriebswelle des Verstärkers 2o erhöhen. Dies
ist allerdings nur möglich, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgedankens zwischen
die ibtriebswelle des Verstärkers 2o und .die Antriebswelle des Zentralrades 42
ein Umkehrgetriebe eingeschaltet wird, mittels dessen jede Drehzahlerhöhung unabhängig
von der Richtung der Drehbewegung im .gleichen Sinne auf das Differentialgetriebe
40 einwirkt.
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Ein solches Umkehrgetriebe ist beispielshalber in Fig. 4 dargestellt.
Mit der Abtriebswelle 2z des Verstärkers 2o ist eine Kuppelscheibe73 verbunden,
welche zwischen zwei äußeren Kuppelscheben 74 und 75 um einen gewissen Betrag axial
verschiebbar ist. Die Scheiben 74 und 75 sind auf der Achse 2i lesedrehbar gelagert,
jedoch gegen axiale Verschiebungen gesichert. Die axial verschiebbare Mittelscheibe
73 wird von der Welle 2i mit Hilfe einer spiralig geführten Schrägschlitzverbindung
72 mit einem -darin gleitenden Mitnehmerstift 78 mitgenommen. Die Kuppelscheibe
75 ist über ein Getriebe mit der Antriebsweile 44 des Sonnenrades 42 des Differentialgetriebes
40 (Fig. 3) gekuppelt, während die Scheibe 74 mit der gleichen Welle 44 Über ein
Zwischenrad 77 so .gekuppelt ist, daß bei Drehung der Welle 44 die beiden Scheiben
74 und 75 sich auf der Wedle 21 in entgegengesetztem Sinne drehen. Die Kuppelscheiben
73, 74, 75 sind mit Kuppdungsvorrichtungen, beispielsweise mit sägezahnförmig gestalteten
Zahnkränzen 76 versehen. Bei wechselnder Achsdrehrichtung ,der Welle 2i gleitet
die treibende Scheibe 73 infolge ihres eigenen T'rägheitsmoments oder gegebenenfalls
unter Mitwirkung eines zusätzlichen Bremsmoments (die hierfür erforderliche Bremsvorrichtung
ist in der Zeichnung nicht angedeutet) einmal nach links und kommt .dabei mit der
Scheibe 74 in Eingriff oder ,aber nach rechts und kommt dabei mit der Scheibe 75
in Eingriff. Von den beiden Scheiben 74 und 75 wird also je nach der Drehrichtung
der Achse 2i stets nur eine mit der Welle gekuppelt. Die Welle 44 behält daher unabhängig
von der Drehrichtung der Welle 2 1 stets die gleiche Drehrichtung bei. Selbstverständich
kann an Stelle,des beschriebenen Umlenkgetriebes jede ähnlich arbeitende Einrichtung
bekannter Bauart; insbesondere jeder bekannte mechanische Gleichrichter für Drehbewegungen,
verwendet werden.