Elektro-hydraulischer Wandler
Es ist bekannt, in der elektro-hydraulischen Servotechnik die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein hydraulisches
Signal über eine elektromagnetisch betätigte Geometrieänderung einer hydraulischen Drosselstelle zu gewährleisten. Diese Drosselveränderung wird - meistens über die Verstimmung einer hydraulischen Brücke - zur Aussteuerung eines Schiebers - oder Plattenverstärkers verwendet, der die kleine Wandlerleistung auf die erforderlichen Werte anhebt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselstelle zu schaffen, deren Drosselwert ohne Geometrieänderung gesteuert werden kann.
Erfindungsgemäss weist der elektro-hydraulische Wandler eine elektrisch heizbare, laminare Drosselstelle auf.
Auf diese Weise kann die Viskosität des Mediums, proportional zu welcher der hydraulische Widerstand der Drossel ändert, durch die elektrische Heizung einer mit dem Medium in Berührung stehenden Drosselwandung gesteuert werden.
Anhand der Zeichnung werden nun einige Ausführungsformen sowie Anwendungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer aussenwärmenden Drossel,
Fig. 2 den Querschnitt längs der Linie II der Fig. 1,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Drossel,
Fig. 4 den Querschnitt längs der Linie IV der Fig. 3,
Fig. 5 den Querschnitt längs der Linie V der Fig. 3,
Fig. 6 den Querschnitt längs der Linie VI der Fig. 3,
Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Drossel,
Fig. 8 den Querschnitt längs der Linie VIII der Fig. 7,
Fig. 9 den Querschnitt einer aussenwärmenden Drossel nach Fig. 2, jedoch mit einem Kühlmantel,
Fig. 10 den Querschnitt einer aussenwärmenden Drossel nach Fig. 2, jedoch mit Vakuum um den Heizleiter,
Fig. 11 einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer innenwärmenden Drossel,
Fig.
12 den Querschnitt längs der Linie XII der Fig. 11,
Fig. 13 einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der innenwärmenden Drossel.
Fig. 14 den Querschnitt längs der Linie XIV der Fig. 13,
Fig. 15 den Einsatz einer viskothermischen Drossel als
Steuerelement eines Vier-Wege-Schiebers in einer selbstaus gleichenden Halbbrücke mit laminarer Nullabgleichsdrossel,
Fig. 16 eine konstruktive Ausführungsform der laminaren Nullabgleichsdrossel der Fig. 15.
Prinzipiell kann die vorliegende visko-thermische Drossel auf zwei Arten verwirklicht werden: a) Die Heizwand bildet zugleich und ausschliesslich die Drosselwand; b) die Drosselung findet zwischen den Wänden eines Loches und eines koaxialen Heizdrahtes statt, wobei die Lochwand von den thermischen Wechselwirkungen ausgeschlossen bleibt.
Die aussenwärmende Variante nach a) bietet den Vorteil einer relativ einfachen Konstruktion, obschon die Herstellung von Röhrchen in gewünschten kleinen Dimensionen nicht problemlos ist; für eine gegebene Heizleistung ist ausserdem die beeinflusste Ölmenge grösser als bei der Variante b), da die Haftbedingung an allen Drosselwänden durch die Erwärmung gesteuert wird. Als Nachteil der aussenwärmenden Variante gilt deren Trägheit, da die Heizwand zugleich der Druckbeanspruchung widerstehen muss, wodurch eine Wandstärke vonnöten wird, die sich über deren Wärmekapazität ungünstig auf das Frequenzverhalten des Elementes auswirkt.
Die innenwärmende Variante nach b) ist konstruktiv aufwendig und erlaubt nur eine beschränkte Beeinflussung des Ölstromes, da die Drosselwirkung der Aussenwand nicht gesteuert werden kann; hingegen ist die mechanische Beanspruchung des Heizleiters gering. Dies erlaubt eine konstruktive Gestaltung derart, dass trotz grösstmöglicher Heizoberfläche die Wärmekapazität des Heizleiters klein bleibt, was sich durch eine äusserst günstige Frequenzcharakteristik äussert.
Die einfachste Ausführung einer visko-thermischen aussenwärmenden Drossel ist ein in Fig. 1 und 2 dargestelltes Heizrohr 1, das druckseitig über eine Lötstelle 2 mit einem Anschlussflansch 3 verbunden ist. Auf der Niederdruckseite, von anderen Maschinenteilen elektrisch isoliert, befindet sich eine Anschlussöse 4 mit einer Heizstromzuführung 5. Falls auf der Niederdruckseite für Kunststoffschlauchanschluss unzuläs sig hohe Druckwerte entstehen, muss dort ein Isolierflansch angebracht werden. Um das Element bei grosser Rohrlänge auf brauchbare Abmessungen zu reduzieren, kann das Rohrstück spiralförmig aufgewickelt werden; es ist jedoch jegliche Berührung mit anderen Teilen, z. B. Stützteilen, zu vermeiden.
Eine verfeinerte Ausführung der aussenwärmenden Drossel ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt: hier wird ein zwischen einem Flansch 3' und einer Öse 4' liegendes Heizrohr 1' im Querschnitt durch Quetschung verringert, wodurch der Wandlerwirkungsgrad erhöht wird.
Soll die Viskositätsänderung für eine gegebene Heizleistung maximal werden, so müssen Querschnittsgeometrien verwendet werden, die die grösstmögliche Heizfläche mit dem kleinsten Durchflussquerschnitt paaren, wie z. B. ein Flachovalrohr 1: der Fig. 7 und 8. Da infolge der frequenzbeschränkenden thermischen Kapazität des Heizrohres die Wandstärke desselben auf ein Mindestmass reduziert werden muss, würde ein Heizrohr mit beliebiger Querschnittsgeometrie den Druckkräften ohne grosse Verformung nicht standhalten. Deswegen wird bei grossen Arbeitsdrücken das Rohr mit Stützplatten 6 versehen, die zugleich als Kühlfahnen fungieren.
Will man die Kalttemperatur des Heizrohres auf die Referenztemperatur eines Mediums bringen, so kann dies durch das Umströmen des Heizleiters 1 in der Kapsel 7 geschehen; die auf Fig. 9 schematisch dargestellte Einrichtung erhöht jedoch die zur Widerstandsänderung benötigte Heizleistung, da ein Teil der Wärme durch die Referenzflüssigkeit weggetragen wird. Hingegen wird der Frequenzgang ein wenig verbessert, da die Abkühlung rascher erfolgt.
Ein von den thermischen Einflüssen der Umwelt völlig abgeschlossenes System ist in Fig. 10 skizziert, wo zwischen dem Heizrohr 1 und einer dichten Kapsel 8 ein Vakuum aufrechterhalten wird, was die Wärmeabgabe der Heizrohraussenwand auf eine vernachlässigbare Strahlung reduziert.
Die einfachste innenwärmende Ausführungsform einer viskothermischen Drossel ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt.
Ein Flachheizdraht 10 wird koaxial in einer Bohrung 11 eines vorzugsweise isolierenden Körpers 12 durch zwei Endhalter 13a und 13b festgehalten, wobei die Stromzuführung bzw.
Abführung sowie der Druckanschluss über die Flanschen 14a und 14b erfolgt. Trotz den ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften ist diese Bauart nur selten anzuwenden, da die relativ kleine Heizoberfläche keine grosse Beeinflussung des Ölflusses erlaubt; die in Fig. 13 und 14 dargestellte sternförmige Ausbildung des Heizdrahtes 10 stellt jedoch eine befriedigende Lösung dieses Problems dar, wird doch noch zusätzlich die mechanische Festigkeit des Heizdrahtes wesentlich verbessert.
Heizdrähte sowie Heizrohre lassen sich am einfachsten aus Nickel-Chrom-Stählen oder Nickel-Chrom-Legierungen herstel len. Physikalisch optimale Verhältnisse lassen sich jedoch nur mit Titanium- oder Zirconium-Legierungen erreichen, da diese Legierungen geringe Wärmekapazitäten mit hohem elektrischen Widerstand paaren.
Eine mögliche Anwendung der viskothermischen Drossel ist in Fig. 15 dargestellt: ein Vier-Wege-Schieber 15 mit Differentialendkolben wird auf einem kleinen Endkolben 16 mit dem Speisedruck p beaufschlagt, was auf einem grossen Endkolben 17 einen Druck pc erfordert, dessen Wert nur vom Flächenverhältnis der Endkolben abhängt, falls der Schieber 15 im Gleichgewicht bleiben soll.
Wird im ungeheizten Zustand der visko-thermischen Drossel eine laminare Trimmdrossel 19 so eingestellt, dass kein Ölstrom von der Speisedruckseite über eine Nadeldrossel 20 in die laminare Halbbrücke Trimmdrossel
19 - viskothermische Drossel 18 fliesst, so muss bei Verstimmung der Brücke durch Veränderung des Drosselwiderstandes an der Stelle der Drossel 18 zwecks Aufrechterhaltung von pc über die Nadeldrossel 20 ein Ölstrom fliessen; dies bedeutet jedoch, dass sich der ganze Schieber 15 bewegen muss, um den nötigen Querschnitt bei 20 freizugeben. Somit bildet die viskothermische Drossel 18 den Betätigungsmotor des Schiebers 15, der als elektrohydraulisches Vier-Wege-Servoventil mit selbst abgleichender Halbbrücke bezeichnet wird.
Neben den beschriebenen Vorrichtungen finden sich dementsprechend in Fig. 15 alle Elemente eines normalen Servoventiles, ein elektrischer Servoverstärker 21, Verbraucheranschlüsse 22 und 23, eine Tankrückleitung 24 und eine Speisedruckleitung 25, die alle schematisch in einem Gehäuse 26 zusammengefasst sind.
Dem Referenz-Brückenzweig der Servoventil-Steuerstufe muss ebenfalls gebührende Beachtung geschenkt werden; die Trimmdrossel 19 muss bei signallosem Zustand die gleichen Charakteristiken aufweisen wie die viskothermische Drossel.
Dementsprechend wird man versuchen, die zwei Drosseln geometrisch ähnlich zu gestalten und womöglich im Bereich gleicher Reynoldszahlen arbeiten zu lassen.
Dies wäre theoretisch einfach dadurch zu erreichen, dass man als Drosseln zwei gleiche Rohrstücke verwendet, über denen der gleiche Druckabfall zu herrschen hätte, das heisst Pc = t/2 p. Dies ist in der Praxis kaum möglich, kann man doch kaum zwei absolut identische Rohre herstellen. Man behilft sich deswegen mit der Trimmdrossel, die in Fig. 16 dargestellt ist. Ein Rohrstück 27, mit einem leicht kleineren Widerstand als dem gewünschten Wert, wird in zwei Löcher 28, 29 einer Platte 30 eingelötet und spiralförmig um einen Gewindebolzen 31 gelegt. Das Rohrstück wird dann durch Anziehen der Mutter 32 durch die Scheibe 33 zusammengequetscht bis der gewünschte Widerstand erreicht ist.
Electro-hydraulic converter
It is known in electro-hydraulic servo technology to convert an electrical signal into a hydraulic signal
To ensure a signal via an electromagnetically actuated change in geometry of a hydraulic throttle point. This throttle change is used - mostly via the detuning of a hydraulic bridge - to control a slide valve or plate amplifier, which increases the small converter output to the required values.
The present invention is based on the object of creating a throttle point whose throttle value can be controlled without changing the geometry.
According to the invention, the electro-hydraulic converter has an electrically heatable, laminar throttle point.
In this way, the viscosity of the medium, proportional to which the hydraulic resistance of the throttle changes, can be controlled by the electrical heating of a throttle wall that is in contact with the medium.
Some embodiments and application examples of the invention will now be explained with reference to the drawing.
Show it:
1 shows a schematic longitudinal section of a first embodiment of an externally heating throttle,
FIG. 2 shows the cross section along the line II in FIG. 1,
3 shows a schematic longitudinal section of a further embodiment of the throttle,
FIG. 4 shows the cross section along line IV of FIG. 3,
Fig. 5 shows the cross section along the line V of Fig. 3,
6 shows the cross section along the line VI in FIG. 3,
7 shows a schematic longitudinal section of a further embodiment of the throttle,
8 shows the cross section along the line VIII in FIG. 7,
9 shows the cross-section of an externally heating throttle according to FIG. 2, but with a cooling jacket,
10 shows the cross section of an externally heating throttle according to FIG. 2, but with a vacuum around the heating conductor,
11 shows a schematic longitudinal section of a first embodiment of an internally heating throttle,
Fig.
12 shows the cross section along the line XII in FIG. 11,
13 shows a schematic longitudinal section of a further embodiment of the internally heating throttle.
14 shows the cross section along the line XIV in FIG. 13,
Fig. 15 the use of a viscothermal throttle as
Control element of a four-way slide in a self-balancing half bridge with laminar zero adjustment throttle,
16 shows a structural embodiment of the laminar zero balancing throttle from FIG. 15.
In principle, the present visco-thermal throttle can be implemented in two ways: a) The heating wall forms the throttle wall at the same time and exclusively; b) the throttling takes place between the walls of a hole and a coaxial heating wire, the wall of the hole being excluded from thermal interactions.
The externally heating variant according to a) offers the advantage of a relatively simple construction, although the production of tubes in the desired small dimensions is not problem-free; For a given heating output, the affected amount of oil is also greater than in variant b), since the sticking condition on all throttle walls is controlled by the heating. A disadvantage of the variant with external heating is its inertia, since the heating wall must at the same time withstand the compressive stress, which requires a wall thickness that has an unfavorable effect on the frequency behavior of the element via its heat capacity.
The internally heating variant according to b) is structurally complex and only allows a limited influence on the oil flow, since the throttling effect of the outer wall cannot be controlled; however, the mechanical stress on the heating conductor is low. This allows a structural design in such a way that, despite the largest possible heating surface, the heat capacity of the heating conductor remains small, which is expressed by an extremely favorable frequency characteristic.
The simplest embodiment of a visco-thermal, externally heating throttle is a heating pipe 1 shown in FIGS. 1 and 2, which is connected on the pressure side to a connection flange 3 via a soldered point 2. On the low pressure side, electrically isolated from other machine parts, there is a connection eyelet 4 with a heating current feed 5. If inadmissibly high pressure values arise on the low pressure side for plastic hose connection, an insulating flange must be attached there. In order to reduce the element to usable dimensions with a large pipe length, the pipe section can be wound up in a spiral; however, any contact with other parts, e.g. B. support parts to avoid.
A refined embodiment of the externally heating throttle is shown in FIGS. 3 to 6: here, a heating pipe 1 'lying between a flange 3' and an eyelet 4 'is reduced in cross section by squeezing, whereby the converter efficiency is increased.
If the change in viscosity is to be maximum for a given heating output, then cross-sectional geometries must be used which pair the largest possible heating surface with the smallest flow cross-section, such as B. a flat oval tube 1: of FIGS. 7 and 8. Since the wall thickness of the same has to be reduced to a minimum due to the frequency-limiting thermal capacity of the heating tube, a heating tube with any cross-sectional geometry would not withstand the compressive forces without major deformation. For this reason, at high working pressures, the pipe is provided with support plates 6, which also function as cooling vanes.
If you want to bring the cold temperature of the heating pipe to the reference temperature of a medium, this can be done by flowing around the heating conductor 1 in the capsule 7; however, the device shown schematically in FIG. 9 increases the heating power required to change the resistance, since part of the heat is carried away by the reference liquid. On the other hand, the frequency response is improved a little because the cooling takes place more quickly.
A system completely closed off from the thermal influences of the environment is sketched in FIG. 10, where a vacuum is maintained between the heating tube 1 and a tight capsule 8, which reduces the heat output of the heating tube outer wall to negligible radiation.
The simplest internally heating embodiment of a viscothermal throttle is shown in FIGS. 11 and 12.
A flat heating wire 10 is held coaxially in a bore 11 of a preferably insulating body 12 by two end holders 13a and 13b, the power supply or
Discharge and the pressure connection takes place via the flanges 14a and 14b. Despite the excellent dynamic properties, this type of construction can only be used rarely, since the relatively small heating surface does not allow any major influence on the oil flow; the star-shaped configuration of the heating wire 10 shown in FIGS. 13 and 14 represents a satisfactory solution to this problem, since the mechanical strength of the heating wire is also significantly improved.
The easiest way to manufacture heating wires and pipes is from nickel-chromium steels or nickel-chromium alloys. However, physically optimal conditions can only be achieved with titanium or zirconium alloys, as these alloys combine low heat capacities with high electrical resistance.
A possible application of the viscothermal throttle is shown in Fig. 15: a four-way slide 15 with differential end piston is acted upon on a small end piston 16 with the feed pressure p, which requires a pressure pc on a large end piston 17, the value of which is only based on the area ratio the end piston depends if the slide 15 is to remain in equilibrium.
If, in the unheated state of the visco-thermal throttle, a laminar trim throttle 19 is set so that no oil flow from the feed pressure side via a needle throttle 20 into the laminar half-bridge trim throttle
19 - if the viscothermal throttle 18 is flowing, if the bridge is detuned by changing the throttle resistance at the point of the throttle 18, an oil flow must flow through the needle throttle 20 in order to maintain pc; however, this means that the entire slide 15 must move in order to release the necessary cross section at 20. The viscothermal throttle 18 thus forms the actuating motor of the slide 15, which is referred to as an electrohydraulic four-way servo valve with a self-balancing half-bridge.
In addition to the devices described, all elements of a normal servo valve, an electrical servo amplifier 21, consumer connections 22 and 23, a tank return line 24 and a feed pressure line 25 are accordingly found in FIG. 15, all of which are schematically combined in a housing 26.
The reference bridge arm of the servo valve control stage must also be given due consideration; the trim throttle 19 must have the same characteristics as the viscothermal throttle when there is no signal.
Accordingly, one will try to make the two throttles geometrically similar and, if possible, to let them work in the range of the same Reynolds numbers.
Theoretically, this could be achieved simply by using two identical pipe sections as throttles, over which the same pressure drop would prevail, i.e. Pc = t / 2 p. This is hardly possible in practice, as it is hardly possible to produce two absolutely identical pipes. The trim throttle shown in FIG. 16 is therefore used. A pipe section 27, with a resistance slightly less than the desired value, is soldered into two holes 28, 29 of a plate 30 and placed in a spiral around a threaded bolt 31. The pipe section is then squeezed together by tightening the nut 32 through the washer 33 until the desired resistance is achieved.