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Steuervorrichtung, bei welcher das Ausgangssteuerglied von einem einstückigen
ServoLlotor betätigt wird, Die Erfindung bezieht sich auf eine kraftbetätigte Steuervorrichtung
des Kräfteausgleichs zum Umwandeln eines veränderlichen Krafteingangssignales in
ein Lageausgangs Signal.
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Die bekannten Servosteuervorrichtungen, bei welchen das Ausgangssteuerglied
von einem einstUekigen Servomotor betätigt wird, dessen Steuerservoventil durch
einen schwenkbaren Hebel entsprechend einem veränderlichen Eingangssteuerdrehmoment
gesteuert wird, erforderten für eine Verwendung Nockenflächen, Zager und Rollen,
zahlreiche Hebel und einstellbare Stücke, wodurch die
Steuervorrichtungen
sehr verwickelt im Aufbau waren, nicht exakt funktionierten und teuer in der Herstellung
waren.
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine im Aufbau einfachere Steuervorrichtung
zu schaffen, welche weniger Hebel benötigt, welche ihrerseits die Anzahl von Reibungsstellen,
an welchen Zager von geringer Toleranz erforderlich sind, von Rollen und zugeordneten
Abstützungen von kleiner Toleranz herabsetzen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch
erreicht, daß der Hebel weiterhin einem entgegengerichteten, durch eine vorbelastete
Feder erzeugten Rückkupplungsdrehmoment unterworfen ist, welche zwischen einem vorbestimmten
Teil des Hebels und einem beweglichen Teil eines.zweiten schwenkbaren Hebels angeordnet
ist, welcher zu seiner Verschwenkung mit dem Ausgangssteuerglied in Verbindung steht.
Dadurch wird eine Servoverrichtung geschaffen, welche verhältnismäßig einfach im
Aufbau, kompakt, zuverlässig und genau zur Steuerung der Betätigung eines Ausgangsgliedes
als eine Funktion eines veränderlichen Eingangskraftsignales ist.
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Bei Steuervorrichtungen,, beispielsweise Servosystemen und dgl. ist
es manchmal wünschenswert, eine lineare Beziehung zwischen einem Eingangskraftsignal
und der Verschiebung eines entsprechend dem Eingangssignal betätigten,beweklichen
Gliedes aufrechtzuerhalten.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Steuervorrichtung
vorzusehen, bei welcher die Schwenkachse des weiteren
Hebels im
wesentlichen durch den vorbestimmten Teil des ersten Hebels geht, um eine lineare
Beziehung zwischen dem Weg des Ausganssteuergliedes und dem veränderlichen Eingangssteuerdrehmoment
herzustellen.
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Bisher war es übermäßig schwierig, eine solche Beziehung herzustellen
und bzw. oder in herkömmlichen Servosystemen äufrechtzuerhalten, in welchen Federn
als Teil des Steuernetzes verwendet werden. Das Ausdehnen und Zusammendrücken dieser
Federn hat eine .unerwünschte Auswirkung auf die Federkonstante der Federn, und
in Fällen, wo sich die Temperatur der Federn mit der Veränderung der umgebenden
Temperatur verändert, treten zusätzliche Komplikationen, welche die Federkonstante
beeinflussen, in dem System auf, Zahlreiche Versuche sind unternommen worden,-um
diese unerwünschten Auswirkungen auf die Pederkonatante auszuschalten, von denen
die meisten eine verwickelte Ausgleichsvorrichtung bilden, welche nicht gänzlich
genau oder zuverlässig über-den Arbeitsbereich der Federn sind, und zusätzlich zu
dem Ausmaß, dem Gewicht und den Kosten des fertigen Erzeugnisses beitragen.
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Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin,
eine Steuervorrichtung zu schaffen, bei welcher die vorbelasteten elastischen Mittel
eine vorbelastete Feder und auf Temperatur ansprechende Mittel enthalten, welche
beide mit ähn-
| lieben auf Temperatur ansprechenden Charakteristiken versehen |
| so verbunden sind, daß Änderungen in der Belastung der durch |
| I @üä.w-rungen in der umgebenden Temperatur veranlassten
Belastung |
durch die auf Temperatur ansprechende Mittel kompensiert werden.
Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine hydromechanische Servovorrichtung
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1, bei welcher
die Kräfteausgleichshebel von dem Abstützgehäuse entfernt sind.
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In einem Gehäuse 20 mit Kammern 22 und 24 sind Strömungsmediumeinlaßkanäle
26 und 28 vorgesehen. Ein in der Kammer 22 verschiebbar angeordneter Servokolben
30 ist mit einer zylindrischen Verlängerung 32 versehen, welche sich von dessen
einer Seite durch das Gehäuse 20 in Arbeitseingriff mit einem nicht dargestellten,
in seiner Lage gesteuerten Glied erstreckt. Eine weitere= im Durchmesser verhältnismäßig
größere Verlängerung 34 erstreckt sich von der anderen Seite des Kolbens 30 durch
das Gehäuse 20 und ist mit einer ringförmigen Nut 36 in ihrem freien Ende versehen.
Ein mit einer Drosselstelle 40 versehener Abzweigkanal 38 führt Strömungsmedium
von der Einlaßöffnung 26 zu der Kammer 22 auf der einen Seite des Kolbens 30, von
welchem Strömungsmedium ein Druck Pe über einen Austrittskanal 42 zu einer Austrittsquelle
bei verhältnismäßig niedrigem Strömungsdruck Po läuft.
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Der Einlaßkanal 26 steht mit einer Strömungsquelle bei reguliertem
konstantem
Druck PR in Verbindung, welcher allgemein mit 43 bezeichnet ist. Die effektive Strömungsfläche
des Austrittskanales 42 und damit der Strömungsdruck 2s in der Kammer 22 hinter
der Drosselstelle 40 wird durch ein bewegliches Ventil 44 gesteuert, welches mit
einem an dem Austrittsende des Kanales 42 vorgesehenen Ventilsitz zusammenwirkt.
Das Ventilglied 44 ist mit einem mit Schraubengewinde versehenen Schaft 48 versehen,
welcher mit dem einen Ende eines Hebels 50 in Schraubeingriff steht und in seiner
Zage durch eine Gegenmutter 52 verriegelt ist. Der Hebel 50 ist mit einem mit einstückigen
Endwellen 56 versehenen Querteil 54 versehen, welche in Antifriktionslagern, beispielsweise
Kugellagern 58 angeordnet. sind, welche von dem Gehäuse 20 getragen werden. Dadurch
wird für den Hebel 50 eine feste Schwenkachse gebildet. Ein mit dem Teil 54 einteiliger,
kreisförmiger Arm oder Hebel 60 erstreckt sich durch eine Öffnung 62 in dem Gehäuse
20 in die Kammer 24. Eine evakuierte Druckdose 64 ist an ihrem einen Ende mittels
eines mit Schraubgewinde versehenen Schaftes 66 verankert welcher sich in Schraubeingriff
mit dem Gehäuse 20 erstreckt und durch eine Gegenmutter 68 verriegelt ist. Das andere
bewegliche Ende der Druokdose 64 ist mit einem Schaft 70 mit einem Querstift 72
versehen, welcher mit einer ergänzenden Nut 7 4 in dem Arm 60 in Eingriff-steht.
Die Druckdose 64 spricht auf einen der Kammer 24 über den Kanal von einer allgemein
mit 75 bezeichneten Quelle zugeführten Steuerströmungsdruck P0 an, welcher--jeder
gewünschte
Steuermediumsdruck, beispielsweise der Kompressoraustrittsluf
tdruck einer Gasturbine sein kann, in welchem Falle die Ausgangsbewegung des Kolbens
30 ein Kraftstoffventil steuern kann. Die Öffnung 62 ist im Durchmesser etwas größer
als der Arm 60 und in entsprechender Weise ausgenommen, um eine elastische ringförmige
Dichtung wie beispielsweise einen "0°" Ring 76 oder dgl. aufzunehmen, welcher als
Abdichtung gegen den Druck Pc wirkt einen begrenzten Bewegungsbereich des Armes
60 entsprechend der durch die Druckdose 64 hervorgerufenen Belastung ermöglicht.
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Ein mit dem Querteil 54 einteiliger Hebel 78 ist an seinem freien
Ende abgebogen und bildet eine rechtwinklige Verlängerung, welche mit einer Federbefestigung
80 mit einer ringförmigen Ausnehmung 82 versehen ist und das eine Ende der Spannfeder
84 festhält.
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Das Befestigungsglied 80 kann auf Antifriktionskugellagern 86 drehbar
angeordnet sein, welche an dem Hebel 78 befestigt sind. Ein Hebel 88 mit sich in
entgegengesetzten nichtungen erstreckenden, im wesentlichen parallelen Armen 90
und 92, welche durch eine Querwelle 94 verbunden sind, kann um die Achse der Welle
94
schwingen, welche in einem von dem Gehäuse 20 bestimmten Zager 96 gelagert
ist. Der Hebelarm 90 kann in einer Ebene parallel zu der Bewegungsebene des Hebels
.78 schwingen und ist mit einem abgeflachten Endteil 98 versehen, welcher sich im
rechten Winkel davon erstreckt. Ein Befestigungsschaft 10, welcher von einer Öffnung
102 in dem Endteil 98 verschiebbar aufgenommen wird, ist mit einer kreisförmigen
Auenehmung 104 versehen, welche ein
schraubenförmiges Ende einer
Spannfeder 84 festhält. Der Schaft 100 ist zur Aufnahme einer Mutter 106 mit Gewinde
versehen, welche .sich gegen eine auf Temperatur ansprechende Scheibe 108 abstützt,
welche zwischen der Mutter 106 und dem Endteil 98 angeordnet ist. Der Hebelarm 92
ist mit einer Rolle 110 oder dgl. versehen, welche drehbar von dem freien Ende getragen
wird. Die Rolle 110 wird von einer ringförmigen Nut 36 festgehalten und verursacht
dadurch, daß der Hebel 88 entsprechend der Bewegung des Servokolbens 30 ausschwenkt.
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Wirkungsweise. Es soll anfangs angenommen werden, daß sieh die Vorrichtung
in
| einem ausgeglichenen :.:stand befindet, wodurch die verschiedenen |
| Teile wie in den Fig. 1 und 2 d:urgestellt angeordnet sind.
Wird |
| jetzt eine Erhöhung in dem auf die Kammer 24 übertragenen Steuer- |
| mediumsdruck P0 angenommen, so spricht die Druckdose 64 demge- |
| mäß mit einer Erhöhung der Kraftbelastung auf den Arie 60 an,
wel- |
| cher sich zusaen# .@i t dem Querteil 54 und den einteiligen
Hebeln |
| 50 und 78 im@e-@ :erinn bei Tr'i g. 1 verschwenkt und dadurch
das |
| Ventil 44 von @cdL e@ Sitz 46 Bebt. Die daraus folgende Erhöhung |
| in der d.(--s Austrittskanales 42 ruft |
| eitle Abnahm,- --7rg# dem Druck B hntG2 Amt Drosselstelle 40
hervor, |
| 'hin oL Zl'ben 30 nach recL.,ä%) bog Böig® 1 entsprech
n d |
| _ _ dcrauf enswirkeaden üngle-i o-kg0-ve W h@G
oer Kraft betätigt ward. |
| .; el 88 folgt (Gem Kolben 5'0 snehwin°'rt
demgemäß im Uhr- |
| <__ _ `oz#r aus r2nd cr1 öh- d: t.i z#l zwi bchcn einer
^#1i#ß |
welche durch die Achse der Lager 58 und 86 und einer Linie läuft,
welche durch die Achse des Lagers 86 und der Rolle 110 verläuft, wie es in Fig.
1 dargestellt ist. Die wirksame Hebelarmlänge X des Hebels 78, durch welche die
Feder 84 als eine Funktion des veränderlichen Winkels 8 wirkt, ist durch die Gleichung
dargestellt: X = 13 ein 8 , worin 13 die Länge.des Hebels 78 gemessen von seiner
Schwenkachse an dem einen Ende bis zu der Achse des Lagers 86 ist, welche durch
die effektive Kraftausübungsstelle der Feder 84 verläuft und 8 der Federwinkel 84
mit dem Hebel 78 ist, wie durch eine Linie dargestellt ist, welche durch die Achse
der Zager 58 und 86 an den anderen Enden des Hebels 78 verläuft.
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Die Erhöhung in der wirksamen Hebelarmlänge X des Hebels 78 hat eine
Erhöhung im Drehmoment im Gegensatz zu dem Drehmoment zur Folge, welches durch die
durch den Arm 60 wirkende Druckdose 64 erzeugt wird, und will das Ventil 44 in Richtung
auf den Sitz 46 in eine Nullstellung drücken, was seinerseits eine Erhöhung in dem
Strömungsdruck P$ hinter der Drosselstelle 40 zur Folge hat, wodurch eine Bewegung
des Kolbens 30 festgestellt und diese stabilisiert wird.-Der Weg des Kolbens 30
mit Bezug auf den Eingangsdruck P0 kann linear oder nicht linear je nach dem Verhältnis
der Winkel 8 und 0 sein, welche durch die Feder 84 und dem.
Hebelarm 92 mit
dem Hebel 78 gebildet wird.
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Es wird angenommen, daß die Winkel
9 und e gleichgemacht sind.'
Der
Kolbenweg hat zu dem Eingangsdruck PC folgende Beziehung:
worin 1
1 die effektive Länge des Armes 60, 14 die effektive Länge des Hebels
92, A6,4 die effektive Endfläche- der Druckdose 64, PC der Eingangsströmungsdruck
zur Kammer 24 ist, auf welchen die Druckdose 64 anspricht, und F8 die Federbelastung
ist' welche konstant ist. Tatsächlich sind bei einem ausgeglichenen Zustand des
Ventiles 44 und damit des Kolbens 30 die von der Druckdose 64 und der Feder 84 abgeleiteten
entgegengesetzten Drehmomente gleich und können gesetzt werden.
Wenn die Achsen des Hebels 68 und des Lagers 86 so ausgeführt sind, daB sie wie
in den Zeichnungen dargestellt zusammenfallen kann der Weg Y des Kolbens 30 durch
folgende Beziehung dargestellt werdens Y = 14 ein !@ = 14 ein 8
| Da Bin 6 = 1 . 1 A 64 P |
| c |
| 13 F3 |
hat ein Einsetzen in die obige Gleichung folgende Gleichung
zur Folge
Die Ausdrücke
| 14 11 A64 sind konstant und können |
| 13 F3 |
durch eine Konstante C mit folgenden Ergebnis bezeichnet werden Y = C
PC , wodurch eine lineare Beziehung zwischen dem Kolbenweg Y und einem veränderlichen
Eingangsdruck P0 hergestellt wird.
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Eine nicht lineare Beziehung zwischen dem Kolbenweg Y und dem Eingangsdruck
PC kann durch jede-geeignete Veränderung der Hebel 92 und 90 hergestellt werden,
so daß der Winkel
8 nicht gleich dem Winkel e ist, in welchem Fall die Feder
84 eine konstante .Länge hat, oder durch Verändern der hänge 13 des Hebels 78, so
daß die Achsen des Lagers 86 und die Schwenkachse des Hebels 88 nicht zusammenfallen,
in welchem Fall die Feder 84 sich je nach der Zage des Kolbens 80 in der Länge verändert.
Die auf Temperatur ansprechende Scheibe oder Scheiben 108 oder jedes andere geeigneteeTemperaturelement
arbeitet als
ein
Temperaturkompensationamedium, um die Belastung der Feder
84 bei einem konstanten Wert unabhängig von den Temperaturveränderungen des umgebenden
Strömungsmediums zuhalten. Die Ausgangskraft der Spannfeder 84 hat die Neigung,
sich mit einer Abnahme oder Erhöhung in der Temperatur entsprechend den Veränderungen
in
der Temperatur des umgebenden Strömungsmediums zu erhöhen oder
abzunehmen.
Die Scheibe 108 wird so ausgewählt, daß sie sich
bei einer Erhöhung
in dem umgebenden Strömungsmedium ausdehnt und dadurch die Mutter 106 weg von dem
Endteil 98 drückt, wodurch der Schaft 96 mit Bezug auf den Endteil 98 sich verschiebt
und dadurch die Länge der Feder 84 vergrößert, um demgemäß die Aus= gangsk raft
der Feder auf-ihren ursprünglichen_Wert wieder herzustellen. Im Falle einer Abnahme
der Temperatur zieht sich die Scheibe 108 zusammen und verursacht eine Verkürzung
der Feder 84
| und |
| zum Kompensieren der Temperaturwirkung auf die Feder 84/um
die |
Ausgangskraft der letzteren konstant zu halten.
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Das Eingangskraftsignal kann durch den oben erwähnten Strömungsdruck
2 0 erzeugt werden, welcher auf die Druckdose 64 oder durch andere geeignete
Mittel wie beispielsweise eine hebelbetätigte Feder, geschwindigkeitsbetätigte Zentrifugalgewichte
oder dgl, wirkt.