Druckmittel-Servomotor In der Regelungstechnik wünscht man oft eine hin und her gehende Bewegung, die mit grosser Kraft Ventile und ähnliche Arbeitsorgane beein flussen kann, mittels eines Elektromagneten zu steuern. Es ist in solchen Fällen bekannt, einen Servomotor zwischen das Arbeitsorgan und das elektromagnetische Steuerorgan anzuordnen, um die benötigte elektrische Steuerleistung klein zu halten. Ein solcher Servomotor ist gewöhnlicherweise in der Form eines in einem Zylinder beweglichen Ar beitskolbens, der von einem Druckmittel beeinflusst ist, ausgeführt.
Bisher bekannte Druckmittel-Servomotoren dieser Art sind aber mit dem bedeutenden Nachteil behaf tet, dass die Lage des Arbeitskolbens im Verhältnis zum Steuerorgan druck- und temperaturabhängig ist und dass der Arbeitskolben mit. einer gewissen Kraft auf das Steuerorgan zurückwirkt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druck mittel-Servomotor der oben angegebenen Art, der aber so ausgeführt ist, dass die Rückführung vom Arbeitskolben zum Steuerorgan praktisch eliminiert ist, ebenso jede Druck- und Temperaturabhängig keit.
Die Erfindung besteht darin, dass der Arbeits kolben ein doppeltwirkender Kolben ist, dessen zwei entgegenwirkende Flächen gleich gross und vom Druckmittel in Räumen beaufschlagt sind, welche durch je einen Drosselkanal mit der Druckmittel quelle in Verbindung stehen und durch andere Kanäle mit je einer Gruppe von Öffnungen in der Mantelfläche eines mit dem Arbeitskolben ver bundenen zylindrischen Körpers verbunden sind, der von einer mit dem Steuerorgan verbundenen ringförmigen Hülse umgeben ist, wobei die Öff nungen in der Mantelfläche dieses Körpers so an geordnet sind,
dass die Hülse bei ihrer Bewegung im Verhältnis zum zylindrischen Körper die eine Gruppe von Öffnungen mehr verschliesst und die andere mehr öffnet, so dass die zwei Drücke, die den Arbeitskolben beaufschlagen, verschieden wer den und die Druckdifferenz den Arbeitskolben in die Richtung drängt, in welche die Hülse bewegt worden ist.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Aus führungsbeispiele der Erfindung gezeigt, die sich darin unterscheiden, dass die Drosselkanäle für die Zufuhr von Druckmittel zu den Räumen, wo das Druckmittel den Arbeitskolben beaufschlagt, nach Fig. 1 im Zylinder, nach Fig. 2 aber im Arbeits kolben selbst angeordnet sind.
In Fig. 1 bedeutet 2 einen Arbeitskolben, der in einem Zylinder 1 beweglich ist. Der Arbeitskol ben 2 ist doppeltwirkend, und seine zwei entgegen wirkenden Kolbenflächen 6 und 7 sind vom Druck mittel in je einem Raum 4, 5 beaufschlagt. Die Räume 4 und 5 stehen mit der Druckmittelquelle 10 mittels je eines Drosselkanals 8, 9 in Verbin dung und sind weiter durch Kanäle 12 und 13 mit je einer Gruppe von Öffnungen 14, 15 in der Mantel fläche eines mit dem Arbeitskolben 2 verbundenen zylindrischen Körpers 11 verbunden.
Eine ringför mige Hülse 3 umschliesst mit kleinem Spiel den zylindrischen Körper 11, und sie ist über einen Bügel 17 und eine Stange 18 mit einer Spule 22 verbunden, die im Feld eines Magneten 23 beweglich und über Federn 19 an einer Wand 21 aufgehängt ist. Die Öffnungen 14, 15 in der Mantelfläche des zylindrischen Körpers 11 sind so angeordnet, dass die ringförmige Hülse 3 gleichzeitig die Öffnungen 14 und die Öffnungen 15 zu 50 Prozent abdrosseln kann.
Wenn die Hülse 3 die Öffnungen 14 und die Öffnungen 15 gleichmässig abdrosselt, werden die Drücke in den Räumen 4 und 5 gleich gross, weil die Drosselkanäle 8 und 9 gleiche Strömungswider stände haben. Dieser gemeinsame Druck ist etwas kleiner als der Druck bei der Druckmittelquelle 10, vorzugsweise ungefähr um die Hälfte kleiner. Die zwei entgegenwirkenden Kolbenflächen 6 und 7 des Arbeitskolbens sind gleich gross, und der Arbeits kolben wird deshalb im skizzierten Falle von keiner resultierenden Kraft beaufschlagt.
Wird jetzt der Spule 22 ein Strom zugeführt, der eine solche Polarität hat, dass die Spule sich entgegen der Kraft der Federn 19 bewegt, so wird die Hülse 3 vom Zylinder 1 weggeführt. Dadurch öffnet sie die Öffnungen 15 und drosselt die öff- nungen 14 mehr als bevor, so dass der Druck im Raum 5 abnimmt und im Raum 4 zunimmt. Der Arbeitskolben 2 wird jetzt von einer resultierenden Kraft beaufschlagt, die proportional der Druckdiffe renz zwischen den Räumen 4 und 5 ist und in der Richtung wirkt, in welcher die Hülse 3 bewegt wor den ist.
Der Arbeitskolben 2 folgt deshalb der Hülse 3 und stoppt erst, wenn ein neues Gleich gewicht eintritt, das heisst die Öffnungen 14 und 15 wieder im gleichen Masse abgedrosselt sind.
Wird der Arbeitskolben 2 belastet, so wird er in eine neue Gleichgewichtslage bewegt, bei der die Öffnungen 14 und 15 in verschiedenem Masse ab gedrosselt sind, so dass das Druckmittel den Arbeits kolben 2 mit einer Kraft beaufschlagt, die gleich der Belastung und dieser entgegengerichtet ist. Diese Änderung der Gleichgewichtslage bei einer Bela stung ist einer gewissen Elastizität des Servomotors gleichwertig.
Wenn das Druckmittel eine Kante der Hülse 3 bei einer Öffnung 14 oder 15 passiert, beaufschlagt es die Hülse mit einer Axialkraft, deren Grösse ver mindert, aber nie ganz eliminiert werden kann, wenn man die Kante schmal und messerförmig macht.
Dadurch, dass die Hülse 3 von zwei solchen ein ander entgegenwirkenden Axialkräften, eine bei den Öffnungen 14 und eine bei den Öffnungen 15, be- aufschlagt wird, wird aber die resultierende Axial kraft auf die Hülse vernachlässigbar. Trotzdem jede der genannten Axialkräfte druck- und temperatur abhängig ist, wird also die Kraft, mit der der Servo- motorkolben auf die Hülse rückwirkt, praktisch konstant bzw. gleich Null.
Die Kanäle 8 und 9 sind identisch ausgeführt, und ihre Strömungswiderstände sind deshalb nicht nur gleich gross, sondern haben auch die gleiche Druck- und Temperaturabhängigkeit. Ähnliches gilt für die Öffnungen 14 und 15 mit den drosselnden Ecken an der Hülse 3. Diese Symmetrie bewirkt, dass eine von einer Temperatur- oder Druckänderung bei der Druckmittelquelle 10 verursachte Änderung des Druckes im Raume 4 immer von einer gleichen Druckänderung im Raume 5 kompensiert wird. Die resultierende Kraft auf den Arbeitskolben 2 und die Lage des Arbeitskolbens im Verhältnis zur Hülse 3 werden dadurch von Druck und Temperatur unab hängig.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten nur in der Anord nung der Drosselkanäle 8 und 9. Der Arbeitskolben 2 ist nach Fig. 2 mit einer Einsenkung zwischen den Kolbenflächen 6 und 7 versehen, so dass ein Raum 20 gebildet wird, der direkt mit der Druck mittelquelle 10 verbunden ist. Die Drosselkanäle sind im Arbeitskolben selbst angeordnet und ver binden die Räume 4 und 5 mit dem Raum 20. Diese Ausführungsform hat gewisse arbeitstech nische Vorteile vor der in Fig. 1 gezeigten; aber bezüglich der Wirkungsweise sind die beiden Aus führungsformen äquivalent.
Die Öffnungen 14 und 15 sind zweckmässig symmetrisch um die Achse des zylindrischen Kör pers 11 angeordnet, so dass keine resultierende Radialkraft, die Friktion zwischen der Hülse 3 und dem zylindrischen Körper 11 verursachen kann, die Hülse beaufschlagt. Um eine solche Friktion ganz zu eliminieren, kann man symmetrisch angeordnete Öffnungen anordnen, die hinter der Innenfläche der Hülse 3 münden und - wie erwähnt - diese Öff nungen durch gedrosselte Kanäle mit einem der Räume 4 oder 5 oder - besser - mit dem Raum 20 (Fig, 2) verbinden.
Pressure fluid servo motor In control engineering, one often wants a reciprocating movement that can influence valves and similar working elements with great force, to be controlled by means of an electromagnet. In such cases it is known to arrange a servomotor between the working element and the electromagnetic control element in order to keep the required electrical control power small. Such a servomotor is usually in the form of a working piston which is movable in a cylinder and which is influenced by a pressure medium.
Previously known pressure fluid servomotors of this type are but tet with the significant disadvantage that the position of the working piston in relation to the control element is pressure and temperature dependent and that the working piston is also. a certain force acts back on the control organ.
The present invention relates to a pressure medium servo motor of the type indicated above, but which is designed so that the return from the working piston to the control member is practically eliminated, as is any pressure and temperature dependency.
The invention consists in that the working piston is a double-acting piston, the two opposing surfaces of which are the same size and acted upon by the pressure medium in spaces which are connected to the pressure medium source through a throttle channel and through other channels each with a group of openings are connected in the outer surface of a ver related to the working piston cylindrical body which is surrounded by an annular sleeve connected to the control member, the openings in the outer surface of this body being arranged so
that the sleeve, when moving in relation to the cylindrical body, closes one group of openings more and opens the other more, so that the two pressures that act on the working piston are different and the pressure difference forces the working piston in the direction in which the sleeve has been moved.
In the accompanying drawings, two exemplary embodiments of the invention are shown, which differ in that the throttle channels for the supply of pressure medium to the spaces where the pressure medium acts on the working piston, according to FIG. 1 in the cylinder, according to FIG. 2 but in the working piston itself are arranged.
In FIG. 1, 2 denotes a working piston which is movable in a cylinder 1. The working piston ben 2 is double-acting, and its two opposing piston surfaces 6 and 7 are acted upon by the pressure medium in a space 4, 5 each. The spaces 4 and 5 are connected to the pressure medium source 10 by means of a throttle channel 8, 9 each and are further connected through channels 12 and 13, each with a group of openings 14, 15 in the jacket surface of a cylindrical body 11 connected to the working piston 2 connected.
A ringför shaped sleeve 3 encloses the cylindrical body 11 with little play, and it is connected via a bracket 17 and a rod 18 to a coil 22 which is movable in the field of a magnet 23 and is suspended on a wall 21 via springs 19. The openings 14, 15 in the outer surface of the cylindrical body 11 are arranged such that the annular sleeve 3 can throttle the openings 14 and the openings 15 by 50 percent at the same time.
If the sleeve 3 throttles the openings 14 and the openings 15 evenly, the pressures in the spaces 4 and 5 are equal because the throttle channels 8 and 9 would have the same flow resistances. This common pressure is slightly smaller than the pressure at the pressure medium source 10, preferably about half the size. The two opposing piston surfaces 6 and 7 of the working piston are of equal size, and the working piston is therefore not acted upon by any resulting force in the case outlined.
If a current is now supplied to the coil 22 which has such a polarity that the coil moves against the force of the springs 19, the sleeve 3 is led away from the cylinder 1. As a result, it opens the openings 15 and throttles the openings 14 more than before, so that the pressure in space 5 decreases and in space 4 increases. The working piston 2 is now acted upon by a resulting force which is proportional to the pressure difference between the spaces 4 and 5 and acts in the direction in which the sleeve 3 is moved.
The working piston 2 therefore follows the sleeve 3 and only stops when a new equilibrium occurs, that is, the openings 14 and 15 are again throttled to the same extent.
If the working piston 2 is loaded, it is moved into a new equilibrium position, in which the openings 14 and 15 are throttled to different degrees, so that the pressure medium acts on the working piston 2 with a force that is equal to the load and this is opposite . This change in the equilibrium position with a load is equivalent to a certain elasticity of the servo motor.
When the pressure medium passes an edge of the sleeve 3 at an opening 14 or 15, it acts on the sleeve with an axial force, the size of which reduces ver, but can never be completely eliminated if you make the edge narrow and knife-shaped.
Because the sleeve 3 is acted upon by two such opposing axial forces, one at the openings 14 and one at the openings 15, the resulting axial force on the sleeve is negligible. In spite of the fact that each of the mentioned axial forces is pressure and temperature dependent, the force with which the servo motor piston acts back on the sleeve is practically constant or equal to zero.
The channels 8 and 9 are identical, and their flow resistances are therefore not only the same size, but also have the same pressure and temperature dependence. The same applies to the openings 14 and 15 with the throttling corners on the sleeve 3. This symmetry has the effect that a change in the pressure in the space 4 caused by a temperature or pressure change in the pressure medium source 10 is always compensated by an identical pressure change in the space 5 . The resulting force on the working piston 2 and the position of the working piston in relation to the sleeve 3 are independent of pressure and temperature.
The embodiment according to FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 only in the arrangement of the throttle channels 8 and 9. The working piston 2 is provided with a recess between the piston surfaces 6 and 7 according to FIG. 2, so that a space 20 is formed, which is connected directly to the pressure medium source 10. The throttle channels are arranged in the working piston itself and connect the spaces 4 and 5 with the space 20. This embodiment has certain technical advantages over the one shown in Figure 1; but with regard to the mode of action, the two embodiments are equivalent.
The openings 14 and 15 are expediently arranged symmetrically about the axis of the cylindrical body 11 so that no resulting radial force, which can cause friction between the sleeve 3 and the cylindrical body 11, acts on the sleeve. In order to completely eliminate such friction, one can arrange symmetrically arranged openings that open behind the inner surface of the sleeve 3 and - as mentioned - these openings through throttled channels with one of the spaces 4 or 5 or - better - with the space 20 ( Fig, 2) connect.