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Federanordnung zur Erzeugung einer Rückstellkraft mit einstellbarer
Kennlinie In kraftkompensierten Meß- und Regelgeräten ist es vielfach erforderlich,
die der Eingangskraft entgegenwirkende Federkraft einstellbar zu machen: Aufgabe
der Erfindung ist es, eine hierfür geeignete Federanordnung zu schaffen, die jedoch
auch mit Vorteil für andere Zwecke eingesetzt werden kann.
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Es ist ein pneumatischer Regler bekannt, bei dem vier um eine Achse
symmetrisch angeordnete Federbälge auf die Unterseite eines starren Ringes einwirken,
der mittels einer sich radial erstreckenden Blattfeder kippbar an einer durch den
Mittelpunkt des Ringes verlaufenden und auf dessen Ebene senkrecht stehenden Achse
befestigt ist. Die vier Ausdehnungsbälge sind an Druckmittelleitungen angeschlossen,
über die den Bälgen verschiedene Druckmittelsignale zugeführt werden. Oberhalb des
Ringes ist parallel zu diesen eine starre Druckplatte angebracht, durch welche eine
auf den Ring gerichtete Düse hindurchragt. Zwischen der Druckplatte und dem Ring
ist um die gemeinsame Achse ein Doppelhebel schwenkbar, der an seinen beiden Enden
je eine Laufrolle trägt, über die sich der Ring an der Druckplatte abstützt. Durch
Verstellen dieses Doppelhebels kann die Lage der Abstützlinie des Ringes an der
Druckplatte und damit der Hebelarm der Krafteinwirkung der einzelnen Bälge auf den
Ring zwecks Einstellung des Proportionalbandes des Reglers verändert werden. Der
Druck in der über ein Drosselglied an eine Druckluftquelle angeschlossenen Düse
dient als Stellgrößensignal für irgendein Stellglied, beispielsweise ein Ventil.
Eine Rückstellkraft mit einstellbarer Kennlinie läßt sich auf diese Weise nicht
erzeugen. Es wird vielmehr nur der anteilmäßige Einfluß der Drücke in den verschiedenen
Bälgen auf den als Prallplatte mit der Düse zusammenwirkenden Ring verändert. Diese
Anordnung hat darüber hinaus den Nachteil, daß die vier Bälge hinsichtlich ihrer
Abhängigkeit von Änderungen des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur genau
gleich ausgewählt sein müssen, um durch solche Änderungen bedingte Fehler zu vermeiden.
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In dem Bestreben, diese Nachteile zu vermeiden, geht die Erfindung
einen hinsichtlich der Funktion als auch des konstruktiven Aufbaus völlig anderen
Weg, indem sie die Verwendung einer Federanordnung vorsieht, mit deren Hilfe eine
Rückstellkraft mit einstellbarer Kennlinie erzeugt werden kann. Die hierfür geeignete
Federanordnung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein an zwei sich
diametral gegenüberliegenden Stellen einseitig gelagerter, elastisch verformter
Ring an zwei anderen mit Abstand voneinander angeordneten Stellen mit den Endteilen
einer sich im wesentlichen parallel zur Hauptebene des Ringes erstreckenden, um
eine parallel zur Hauptebene des Ringes verlaufende Achse schwenkbaren Platte verbunden
ist, die unter dem Einfluß wenigstens einer sie schwenkenden Kraft steht. Hierbei
ist die Kennlinie der von dem Ring auf die Platte ausgeübten Federkraft, die der
dieser Platte zugeführten äußeren Kraft entgegenwirkt, durch Verändern des Abstandes
der Lagerstellen von den Verbindungsstellen -zwischen Ring und Platte einstellbar.
Eine solche Federanordnung mit einem elastisch verformbaren Ring geeigneter Federsteifigkeit
ist nicht nur in Verbindung mit Ausdehnungsbälgen als Einstellmittel verwendbar,
sondern kann auch dort eingesetzt werden, wo die Eingangsgröße von einer Bourdon-Röhre,
einem Bimetall oder einem anderen, eine Verstellbewegung erzeugenden Eingangsglied
geliefert wird. Ein Grund für diese vielseitige Verwendbarkeit der Federanordnung
gemäß der Erfindung liegt darin, daß sie für Anordnungen geeignet ist, in denen
die Eingangsgröße in Form einer Verstellbewegung vorliegt. Die eingangs geschilderte
bekannte Anordnung hingegen ist auf pneumatische Regler beschränkt, denen die Eingangsgröße
in Form eines Druckes zugeführt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung der Federanordnung gemäß der Erfindung
liegen die Verbindungsstellen des Ringes mit der Platte sich diametral gegenüber.
Die Lagerstellen sind vorzugsweise über zwei sich diametral gegenüberliegende Bogenteile
des Ringes verstellbar, die sich von dem parallel zur Schwenkachse der Platte verlaufenden
Durchmesser
bis in unmittelbare Nähe der Verbindungsstellen der Platte mit dem Ring erstrecken.
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Wenn hier von einer Hauptebene des Ringes die Rede ist, so soll hierunter
die Ebene verstanden werden, die der Ring umschließt, wenn er nicht zwecks Erzeugung
der gewünschten Federkraft ausgelenkt bzw. verbogen ist. Dabei ist allerdings zu
berücksichtigen, daß der Ring eben zur Erzeugung der gewünschten Federkraft in allen
Betriebszuständen der Federanordnung aus dieser Ebene, wenn auch geringfügig, herausgebogen
ist und deshalb, genaugenommen, nicht in einer Ebene liegt. Wegen der geringfügigen
Auslenkung soll aber der Einfachheit halber im folgenden trotzdem von der Hauptebene
des Ringes gesprochen werden.
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Bei Anwendung der neuen Federanordnung in einem kraftkompensierten
Regler trägt das unter dem Einfluß eines oder mehrerer Eingangssignale verstellbare
Eingangssteuerglied des Reglers den einen und die Platte den anderen Teil einer
Fühleinrichtung, deren Ausgangssignal in Form einer Rückstellkraft auf die Platte
übertragen wird, so daß beim Kräftegleichgewicht das Ausgangssignal in einem vorgegebenen
Verhältnis zum Eingangssignal steht.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel soll im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert werden.
Hierin zeigt F i g. 1 eine auseinandergezogene isometrische Darstellung der neuen
Federanordnung, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-11 in F i g. 1 und F i
g. 3 in ausgezogener und in gestrichelter Darstellung unterschiedliche Betriebszustände
der Federanordnung; F i g. 4 und 5 geben die relative Lage der Schwenkplatte, bezogen
auf die Achse des Ringes, in den beiden Endstellungen des Verstellbereiches für
die Federkennlinie wieder; F i g. 6 zeigt einen Schnitt durch eine die Platte zusätzlich
abstützende, einstellbare Federanordnung.
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In F i g. 1 ist die Platte 12 an ihren Enden 34 und 36 an zwei sich
diametral gegenüberliegenden Stellen auf dem Ring 14 mit diesem verbunden. Ein zweiarmiger
Schwenkhebel 16 stützt mit seinen äußeren Enden an zwei ebenfalls sich diametral
gegenüberliegenden Stellen den Ring 14 ab. Im mittleren Teil 22 der Platte 12 ist
eine Ausnehmung 24 vorgesehen, durch welche die Einstellachse 80 für den Schwenkhebel
16 hindurchragt. Die Platte 12 ist um die beiden Achsenteile 26 und 30 schwenkbar
gelagert, die ihrerseits von den Lagerungen 28 und 32 getragen werden. Die durch
die beiden Achsenteile 26 und 30 gebildete Schwenkachse für die Platte 12 wird im
folgenden als erste Achse bezeichnet. Der übersichtlichkeit wegen sind die Lagerungen
28 und 32 außerhalb des Ringes 14 liegend dargestellt. Sie können jedoch ebensogut
innerhalb des Ringes 14 angeordnet sein, wodurch der Platzbedarf der Federanordnung
vorteilhaft verringert wird.
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An den beiden Endteilen 34 und 36 der Platte 12 ist je einer der Ansätze
38 und 42 angeschweißt, die ihrerseits mit dem Ring 14 an zwei sich diametral gegenüberliegenden
Stellen verschweißt sind. Der Ring ist also an diesen Stellen zwischen den Ansätzen
38 und 42 und den Endteilen 34 und 36 der Platte 12 eingeklemmt, so daß der Ring
14 und die Platte 12 an diesen beiden Stellen starr miteinander verbunden sind.
An der Unterseite des mittleren Teils 22 der Platte 12 sind zu beiden Seiten der
Drehachse 26, 30 je ein zylindrischer Kolben 44 bzw. 46 angebracht,
an deren oberen Ende jeweils ein Segment 48 bzw. 50 ausgeschnitten ist. Hierdurch
ist es möglich, daß der Schwenkhebel 16 über einen Winkelbereich von 90° verstellt
werden kann.
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An der Oberseite der Platte 12 ist eine Düse 52 befestigt, deren Lage
in bezug auf die Platte zwecks Justierung einstellbar' sein kann. Unmittelbar oberhalb
der Düsenöffnung befindet sich die zugehörige Prallplatte 56, die um die in F i
g. 1 vorn liegende Querkante der Düse oder des Düsenhalters schwenkbar ist. Die
Prallplatte 56 wird durch eine gabelförmige, mittels einer Schraube 62 und einer
Unterlegplatte 64 an der Platte 12 befestigte Blattfeder 60 gegen die sie tragende
Düsenkante gedrückt. Die Feder 60 liegt auf der Prallplatte 56 an einer Stelle auf,
deren Abstand von der Schraube 62 geringer ist als der der Kante des Düsenhalters,
um die die Prallplatte 56 schwenkbar ist.
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Der Schwenkhebel 16 erstreckt sich quer über die Platte 12,
ist aber von deren Oberfläche durch einen Abstand getrennt. Die beiden äußeren Enden
66 und 68 des Schwenkhebels 16 sind U-förmig ausgebildet (vgl. F i g. 2) und nehmen
je eine Lagerkugel 70 bzw. 72 auf, die an der Unterseite des Ringes 14 anliegt und
diesen an zwei sich diametral gegenüberliegenden Stellen punktförmig abstützt, wie
dies in F i g. 1 durch die Pfeile Ml und M2 angedeutet ist. Der Abstand dieser beiden
Abstützpunkte von der Schwenkachse 26, 30 der Platte 12 ist gleich. Er ist in F
i g. 1 durch die Strecke L1 zu beiden Seiten der Achse 26, 30 gekennzeichnet. Die
vorzugsweise kugelförmig ausgebildeten Lagerteile 70 und 72 sind in
der aus F i g. 2 ersichtlichen Weise mit Hilfe eines Stiftes 74 und einer Feststellschraube
in ihrer Lage im U-förmigen Teil 66 bzw. 68 des Schwenkhebels 16 gesichert.
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Der Mittelteil des Schwenkhebels 16 ist mit Hilfe einer Schraube 78
am oberen Ende der Achse 80 befestigt, deren unteres Ende einen Proportionalband-Anzeiger
82 trägt. Dieser arbeitet mit einer beispielsweise an der Außenseite des Gehäuses
vorgesehenen Skala 84 zusammen und kann von Hand verstellt werden. Ein Zapfenlager
86 bestimmt die radiale Lage der Achse 80, die als zweite Achse zu bezeichnen ist,
während ein Drucklager 88 die Lagerteile 72 und 70 des Schwenkhebels 16 gegen den
Federring 14 drückt. Zu diesem Zweck können auch die Enden 66 und 68 mit Hilfe einer
Rolle oder einer ebenen, im Gehäuse vorgesehenen Lagerfläche abgestützt sein. Die
zweite Achse 80 schneidet die erste Achse 26, 30 im rechten Winkel und durchstößt
den Federring 14 in seinem Zentrum. Sie steht dabei auf der Ebene des nicht gespannten
Federringes, also auf dessen sogenannter Hauptebene, senkrecht.
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Die Lage der Prallplatte 56 gegenüber der Düse 52 wird durch einen
Stellarm 96 gesteuert, dessen Bewegung mit Hilfe einer L-förmig abgewinkelten Platte
92 auf die Prallplatte 56 übertragen wird. Zu diesem Zweck liegt eine an der Unterseite
des äußeren Endes der Platte 92 vorgesehene Ausbuchtung 90 auf der Oberseite desjenigen
Endes der Prallplatte, welches der Düse 52 abgewandt ist. Das andere Ende der Winkelplatte
92 ist mit dem Steharm 96 verschweißt. Mit Hilfe einer Grobeinstellschraube 98,
die in ein Gewindeloch des Armes 96 eingeschraubt
ist und gegen
einen Vorsprung 100 an der Unterseite der Winkelplatte 92 drückt, kann die gegenseitige
Lage des Armes 96 und der Platte 92 durch geringfügige Biegung der letzteren verändert
werden.
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Bei Bewegung des Steharmes 96 nach unten drückt die Ausbuchtung 90
auf das Ende der Prallplatte 56. Diese wird deshalb entgegen der Kraft der Feder
60
im Gegenuhrzeigersinn um die Kante des Düsenhalters geschwenkt. Dabei entfernt
sie sich von der Düsenöffnung 52. Geht umgekehrt der Steharm nach oben, so bewegt
sich die Prallplatte 56 auf die Düsenöffnung 52 zu. über ein Reduzierstück und die
Leitung 142 wird der Düse 52 Druckluft zugeführt. Das durch den Druck
in der Düse 52 gekennzeichnete Ausgangssignal wird von der Leitung 142 abgenommen
und dem zu beeinflussenden Stellglied, beispielsweise einem pneumatischen Ventil,
zugeführt, welches irgendeine Prozeßgröße beeinflußt, welche sich auf die dem Eingang
des Reglers zugeführte Regelgröße auswirkt. Das genannte Stellglied wird also dann
in dem Sinn verstellt, daß die Differenz zwischen Regelgröße und Sollwert kleiner
wird und möglichst ganz verschwindet.
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Die Kolben 44 und 46 üben in Richtung des an ihrem Boden eingezeichneten
Pfeiles im Sinn einer Vorhalte- bzw. Rückstellkomponente des Reglersignals eine
Kraft auf die Platte 12 aus. Beim Schwenken der Platte 12 arbeitet der Kolben 46
gegen die Kraft des Federringes 14, die dieser seiner Verformung beim Bewegen der
Platte 12 entgegensetzt. Beim Schwenken der Platte 12 im Uhrzeigersinn drückt diese
den Ansatz 38 des Ringes 14 nach unten und den gegenüberliegenden Ansatz 42 nach
oben, während aber die Lagerteile 70 und 72 die auf diesen aufliegenden Teile des
Ringes 14 in der gleichen Höhenlage festhalten, so daß die zwischen einerseits den
Lagerteilen 70 und 72 und andererseits den Befestigungsstellen 38 und 42 liegenden
Teile des Ringes 14 auf Biegung beansprucht werden und hierdurch eine rückstellende
Federkraft entstehen lassen. Je kürzer der Ringbogen zwischen den Lagerstellen und
den Befestigungsstellen ist, desto steifer ist die Feder, d. h. desto steiler ihre
Federkennlinie.
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F i g. 3 zeigt die Federanordnung in seitlicher Ansicht auf die Lagerung
28 bei übertrieben vergrößerter Verformung des Ringes 14. Die Pfeile Ml und M2 sollen
die Lage der Lagerstellen 70 und 72
kennzeichnen.
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Unterhalb der Endteile 34 und 36 der Platte 12 sind in F i g. 1 gestrichelt
je eine Schraubfeder 208 bzw. 210 eingezeichnet. Diese Federn werden zwischen den
Teilen 34 und 36 und ortsfest am Gehäuse oder Gestell des Reglers befestigten, nicht
dargestellten Teilen eingespannt. Ihre Federkraft läßt sich, wie in F i g. 6 für
die Feder 108 dargestellt ist, von Hand einstellen, so daß auf die beiden Enden
der Platte 112 eine von Hand einstellbare Rückstellfederkraft einwirkt. Wie man
aus F i g. 6 ersieht, hält eine Führungsbuchse 212 das obere Ende der Feder 208
in einer vorgegebenen Lage an der Unterseite des Endteils 34 der Platte 12. Die
Buchse 212 ist beispielsweise am Boden 214 mit der Platte 12 verschweißt. Das andere
Ende der Feder 208 ist von einem Federtopf 216 umgeben, der an seinem Boden 218
mit einer Schraube 220 verschweißt ist. Diese läßt sich in einem Gewindeloch 222
in der ortsfesten Platte 224 auf- und niederschrauben. Hierdurch wird die Federspannung
der Feder 208 in der gewünschten Weise verändert. Die Feder 210 ist in ähnlicher
Weise gelagert.
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Die im Betrieb von den Kolben 44 und 46 auf die Platte 12 ausgeübten
Kräfte wirken in entgegengesetzter Richtung in bezug auf die durch die Achsteile
26 und 30 definierte Schwenkachse der Platte. Die Differenz dieser
beiden Kräfte übt ein Drehmoment auf die Platte 12 aus, dem die Federkraft des Ringes
14 entgegenwirkt. Der Ring 14 setzt seiner Verbiegung einen Widerstand entgegen,
dessen Größe davon abhängt, wie weit die dem Drehmoment ausgesetzten Verbindungsstellen
des Ringes mit der Platte 12 von den Lagerstellen 70, 72 entfernt
sind, d. h. wie lang der Hebelarm der dazwischenliegenden einer Biegebeanspruchung
unterliegenden Teile des Federringes 14 ist. Die Steifigkeit der durch den Ring
14 dargestellten Feder und damit die Steilheit der Federkennlinie kann durch Drehen
der Achse verändert werden. Hierdurch ändert sich die Winkelstellung der Lagerpunkte
70 und 72 und damit deren Abstand L 1 von der Schwenkachse 26, 30 der Platte 12.
Die beiden extremen Winkellagen, die der Schwenkhebel 16 einnehmen kann, sind in
den F i g. 4 und 5 dargestellt. In F i g. 4 hat der Abstand der Lagerstellen 70,
72 von der Achse 26, 30 den Maximalwert erreicht. Die Lagerstellen 70, 71
liegen unmittelbar neben den Endteilen 34, 36 der Platte 12, so daß der zwischen
dem Ansatz 38 und dem Lagerteil 70 und der zwischen dem Ansatz 42 und dem
Lagerteil 72 verbleibende Hebelarm extrem kurz und damit die Feder extrem
steif ist. In F i g. 4 ist auch dargestellt, daß die Lagerungen 28 und 32 für die
Achse 26, 30 sich innerhalb des Ringes 14 befinden können. In F i g. 4 steht also
der Schwenkhebel 16 im rechten Winkel zur Schwenkachse 26, 30 der Platte
12. Jede Bewegung der Platte 12 um ihre Achse 26, 30 würde also eine starke
Auslenkung sehr kurzer Hebelarme des Federringes 14 bewirken, so daß die entgegenwirkende
Federkraft relativ groß ist.
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In der aus F i g. 1 ersichtlichen Zwischenstellung sind die auszulenkenden
Hebelarme der Ringfeder 14 länger, so daß die Federsteifigkeit nicht so groß ist.
In F i g. 5 schließlich haben die Abstände zwischen den Lagerteilen 70 bzw.
72 einerseits und den Befestigungsstellen 34, 38 bzw. 36, 42 des Ringes 14 an der
Platte 12 andererseits ihren Maximalwert erreicht, denn der Schwenkhebel
16 liegt hier parallel zur Achse 26, 30 der Platte 12, steht also etwa senkrecht
auf der Verbindungslinie der beiden Befestigungsstellen 34, 38 und 36, 42. In dieser
Lage ist der Abstand L 1 praktisch Null, und die Lagerstellen 70 und 72 wirken praktisch
als Drehpunkt für den Ring 14, so daß jeglicher Schwenkbewegung der Platte 12 lediglich
die Kräfte der Federn 208 und 210 entgegenwirken. Wie man sieht, kann die Federsteifigkeit
des Federringes 14 zwischen den beiden aus den F i g. 5 und 6 ersichtlichen Extremlagen
des Schwenkhebels 16 kontinuierlich verändert werden.
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Durch die beschriebene Einstellung der Federkennlinie wird bei einem
mit der Federanordnung ausgerüsteten Regler das Proportionalband verändert, weil
hierdurch die Wirksamkeit der Rückstellkräfte beeinflußt und damit der Änderungsbereich
des Eingangssignals festgelegt wird, der von diesem durchlaufen werden muß, wenn
sich das Ausgangssignal über seinen vollen Bereich ändern soll.
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Bei einer erprobten Ausführungsform der neuen Federanordnung betrug
der Durchmesser des Ringes
14 etwa 10 cm. Der Abstand von dessen
Oberseite bis zur Unterseite der Kolben 44 und 46 war wesentlich weniger, so daß
die Gesamtabmessungen des Gerätes sehr gering sind und dessen Einbau in ein kleines
Gehäuse gestatten. Wenn -bisher stets von einem Schwenkhebel 16 und einer Platte
12 die Rede war, so ist wohl ohne weiteres ersichtlich, daß an Stelle einer Platte
12 auch ein Hebel oder andersartig gestaltetes, um eine Achse schwenkbares Bauteil
verwendet werden kann und andererseits der Schwenkhebel 16 auch die Form
einer Scheibe oder eines Trägers haben kann. Auch ist die Federanordnung keineswegs
darauf beschränkt, daß zwei Kräfte an der Platte 12 angreifen. Der Ring kann beispielsweise
auf der entgegengesetzten Seite gelagert sein, und Düse und Prallplatte können ihre
Lage vertauschen, so daß die Prallplatte von der Platte 12 und die Düse vom Eingangssteuerglied
getragen wird. Auch kann der Verstellbereich des Schwenkhebels 16 auf einen Winkelbereich
kleiner als 90° beschränkt sein. Das Eingangssteuerglied, dessen Lage in bezug auf
die Platte veränderbar ist, kann in verschiedener Weise verstellt werden. Es ist
dabei gleichgültig, ob die Verstellung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Eingangssignalen
erfolgt, Auch kann für die Abfühleinrichtung an Stelle einer Düse mit Prallplatte
ein anderer zweiteiliger Fühler verwendet werden, wenn die neue Federanordnung beispielsweise
nicht in einem pneumatischen, sondern in einem elektrischen Regler eingesetzt wird.
Die Form des Federringes kann von der im Ausführungsbeispiel gezeigten Kreisform
abweichen, beispielsweise elliptisch sein.