AT501809A1 - Schwingschieberventil - Google Patents

Description

  Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schwingschieberventil zur abwechselnden Verbindung eines Arbeitsanschlusses mit der Druckmittelleitung bzw. der Rückleitung nach dem Patentanspruch 1.
In der hydrostatischen Antriebstechnik wird die durch eine Druckflüssigkeit übertragene Energie durch Hydrozylinder und Hydromotore als mechanische Arbeit abgegeben. Bei Hydrozylindern und Hydromotoren mit konstantem Schluckvolumen ergeben sich aus den jeweiligen Lastkräften bzw. Lastmomenten zwingend die am hydraulischen Verbraucher benötigten Lastdrücke. Sollen mehrere hydraulische Verbraucher mit unterschiedlichen Lastdruckerfordernissen gemeinsam von einer Druckquelle bedient werden, so findet das Prinzip der Widerstandssteuerung Anwendung. Dabei werden in die Zuleitung zum Verbraucher und/oder in die Rückleitung vom Verbraucher verstellbare Durchflusswiderstände eingebaut.

   Der von der Druckquelle bereitgestellte Systemdruck wird so gewählt, dass er über dem höchsten zu erwartenden Lastdruck liegt und für jeden Verbraucher wird dieser Systemdruck durch Drosselung an den verstellbaren Widerständen so weit abgesenkt, dass sich am Verbraucher der geforderte Lastdruck einstellt. Der Vorteil dieses Systems liegt in einem geringen Aufwand für die zentrale Druckversorgung und die Verrohrung des Drucknetzes. Ein grosser Nachteil ist der hohe Energiebedarf.
Eine Verfeinerung hat das Prinzip der Widerstandssteuerung im load-sensing-Prinzip erfahren. Dabei wird laufend der höchste Lastdruck aller Verbraucher erfasst und der Systemdruck durch Verstellung von Pumpendrehzahl oder -schluckvolumen so nachgeführt, dass er nur um einen bestimmten Betrag (meist zwischen 10 und 20 bar) über dem aktuell gemessenen, maximalen Lastdruck liegt.

   Dadurch kann bei Betriebszuständen mit geringem Lastdruck der Energieverbrauch gesenkt werden.
Wird nur ein hydraulischer Verbraucher oder werden mehrere Verbraucher mit gleichen Lastdruckerfordernissen gleichzeitig an einer Druckquelle betrieben, so kann der erforderliche Lastdruck durch Veränderung von Schluckvolumen oder Drehzahl an der Pumpe gestellt werden. Man spricht von Primärregelung.
Für den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Hydromotore mit unterschiedlichen Lastdruckanforderungen an einer Druckquelle ist das Prinzip der Sekundärregelung bekannt. Dabei wird das erforderliche Drehmoment an den Hydromotoren bei konstantem Lastdruck durch Änderung des Schluckvolumens eingestellt.

   Da keine Lösung für eine Verstellung der wirksamen Kolbenfläche von Hydrozylindern existiert, kann dieses Prinzip nicht auf Hydrozylinder übertragen werden.
Um die Drosselverluste hydrostatischer Antriebe zu vermeiden ist es bekannt, den Verbraucher nicht kontinuierlich über ein Drosselventil, sondern mittels eines oder mehrerer Schalt- bzw. Rückschlagventile periodisch abwechselnd an eine Hydraulikmittelversorgungsleitung bzw. an eine Rückleitung anzuschliessen. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Druckschrift ENERGIE FLUIDE, Bd. 14, Nr. 83, Dezember 1975, Paris FR, Seiten 28-32 angegeben.
In Ölhydraulik und Pneumatik, Bd. 38, Nr. 2, Jänner/Februar 1994, Mainz DE, Seiten 38-43 wird die Möglichkeit der Energieeinsparung durch die Verwendung von Freilaufventilen aufgezeigt.

   Prinzipiell wird eine Energieeinsparung am Konstantdrucknetz nur dann erzielt, wenn bei positivem Verbrauchervolumenstrom (Motorbetrieb) Druckmittel nicht nur aus der Druckmittelversorgungsleitung sondern auch aus der Rückleitung entnommen wird, oder wenn bei negativem Verbrauchervolumenstrom (Generatorbetrieb) Druckmittel nicht nur in die Rückleitung abgegeben, sondern auch in die Druckmittel Versorgungsleitung rückgespeist wird.
Die durch die abwechselnde Verbindung mit der Druckmittelversorungsleitung bzw. mit der Rückleitung am Arbeitsanschluss eines periodisch schaltenden Ventiles auftretende periodische Druckschwankung soll sich in möglichst geringem Umfang als periodische Störung in der vom hydraulischen Verbraucher angetriebenen Bewegung bemerkbar machen.

   Ausserdem muss das Übertragungsverhalten zwischen Druck und Volumenstrom am Arbeitsanschluss des periodisch betätigbaren Ventiles so abgestimmt werden, dass die Verluste durch das periodische Umladen von hydraulischen Kapazitäten kleiner sind als die eingesparten Drosselverluste einer Widerstandssteuerung.
Lösungen für diese Probleme bestehen in den periodisch schaltenden Vorrichtungen nach EP850364 oder EP807212. Beide Vorrichtungen stellen hohe Anforderungen an die Dynamik der verwendeten Schaltventile.
Prinzipiell kann natürlich jedes Schaltventil periodisch betätigt werden. Da für den Einsatz in periodisch schaltenden Konvertern sehr kurze Schaltzeiten vorteilhaft sind, und eine aperiodische Betriebsweise des Ventiles nicht gefordert ist, macht es Sinn, spezielle Ventilbauarten einzusetzen. Hinlänglich bekannt sind Drehschieberventile (z.B.

   DE2516154), bei welchen die Betätigungsfrequenz durch eine Änderung der Drehzahl des Schiebers auf einfache Weise verstellt werden kann. In EP807212 wird ein Drehschieberventil für die PulsWeiten-Modulation eines Verbraucheranschlusses zwischen zwei konstanten Versorgungsdrücken angegeben. Die Konstruktion mit mehreren ineinandergepassten, gegeneinander verdrehbaren Hülsen ist dabei sehr teuer.
Ein bistabiles Schwingschieberventil zur Realisierung einer Puls- Weiten-Modulation ist in US2996045 offenbart. Auch dieses Ventil weist mit insgesamt vier Schiebern, zwei Rückschlagventilen und einem elektromagnetischen Aktuator eine recht komplexe Konstruktion auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schwingschieberventil zu schaffen, das die genannten Nachteile beseitigt und so eine wesentlich kostengünstigere Lösung ermöglicht.

   Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Um die für den Antrieb des Schiebers benötigten Kräfte zu reduzieren, wird der Schieber 1 als Teil eines Ein-Massen-Schwingers ausgeführt und dieser Schwinger in seiner Re sonanzfrequenz angeregt. Damit wird das Problem gelöst, die für die Beschleunigung der Schiebermasse benötigten Kräfte in vollem Umfang durch einen Aktuator aufbringen zu müssen, weil diese Kräfte grösstenteils durch die Feder des Ein-Massen-Schwingers übernommen werden.
Um innerhalb einer Schwingungsperiode die relative Dauer der Verbindung des Arbeitsanschlusses mit der Druckmittelleitung bzw. der Rückleitung einstellen zu können, wird vorgeschlagen, den Nullpunkt der Schieberschwingung verstellbar zu machen.

   Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, führt eine Verschiebung des Nullpunktes der Schieberschwingung in Verbindung mit einer annähernd sinusförmigen Schwingungsform zu einer Modulation der Pulsweite. Insbesondere ergibt sich bei einer in Bezug auf die zwischen den Anschlüssen 10 und 11 sowie 11 und 12 befindlichen Steuer kanten symmetrischen Lage des Nullpunktes der Schieberschwingung eine symmetrische Aufteilung der Ventilöffnungs verlaufe enstprechend den Kurven 4 und 5. Bei einer Verschiebung des Nullpunktes in Richtung der Steuerkante zwischen den Anschlüssen 10 und 11 wird der Ventilöffnungsverlauf zugunsten einer längeren Öffnungsdauer zwischen den Anschlüssen 11 und 12 entsprechend der Kurve 7 verschoben. Die Kurve 6 weist zwischen den Anschlüssen 10 und 11 hingegen eine verminderte Öffnungsdauer auf.

   Den umgekehrten Fall mit einer Verschiebung des Nullpunktes der Schieberschwingung in Richtung der Steuer kante zwischen den Anschlüssen 11 und 12 zeigen die Kurven 8 und 9.
Zur Realisierung einer Schieberschwingung mit konstanter Frequenz und Amplitude, jedoch veränderlichem Nullpunkt genügt es, den Schieber 1 eines Schieberventiles mit einem oder mehreren auf ihn wirkenden, mechanische Energie speichernden Elementen 2 zu versehen und durch einen Aktuator 3 eine Kraft der Form
F = F0+ Fexcs iinn iinn (2^) auf den Schieber auszüben. Da die Bewegung des Schiebers der Differentialgleichung
mx + dx + ex = F
gehorcht, kann durch die Wahl des zeitlichen Kraftmittelwertes0die mittlere Schieberposition (Nullpunkt der Schieberschwingung) verstellt werden.

   Um die zur Aufrechterhaltung einer sinusförmigen Schwingung benötigte Erregerkraftamplitude gering zu halten, ist es zweckmässig, die Steifigkeit c des energiespeichernden Elementes 2 so auf die bewegte Masse m des Schiebers 1 abzustimmen, dass die Eigenkreisfrequenz [omega] = c/m des Schiebers mit der gewünschten Kreisfrequenz der Schieberbewegung 2[pi]/T übereinstimmt.

   Zur Erzielung einer grossen Schieberwegamplitude ist es vorteilhaft, den Schieber möglichst reibungsarm zu führen.
Die Ausnützung des Resonanzeffektes unterscheidet den vorliegenden Vorschlag vom etwa aus Technische Rundschau Bd. 68, Nr. 45, November 1976, S. 7 bekannten Verfahren, bei hydraulischen Servoventilen das Ansteuersignal des Schieberantriebes mit einem Zittersignal (engl. dither) zu überlagern, um die Durchflusscharakteristik im Nullpunkt und das Reibungsverhalten des Schiebers zu verbessern.
Ein federzentrierter Kolben ist in vielen Schieberventilen zu finden. Die Federwirkung der üblicherweise verwendeten Schraubenfedern ist dabei meist vernachlässigbar klein gegenüber der Federwirkung der in den Vorsteuerräumen befindlichen Druckflüssigkeit.

   Aus regelungstechnischen Gründen werden die Vorsteuerräume mit möglichst geringem Totvolumen ausgeführt, um die Eigenfrequenz des Schiebermasse- Feder-Systems oberhalb der Bandbreite der Schieberpositionsregelung anzusiedeln.
Bezeichnet man die Masse des Schiebers 1 mit m, den Flächeninhalt der Schieberstirnflächen mit A, die Steifigkeit der beiden Zentrierfedern 13 mit c, den Rauminhalt der Vorsteuerräume 14 mit V und den effektiven Kompressionsmodul der verwendeten Druck flüssigkeit mit [pound]", so erhält man für die resultierende Gesamtsteifigkeit der auf den Schieber wirkenden Zentrierfedern in Verbindung mit der in den Vorsteuerräumen eingeschlossenen Druckflüssigkeit den Ausdruck
_ E' A<2>\<c>ges - 2 I C + I
Für den Einsatz in periodisch schaltenden Konvertern ist von einer Betriebsfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz auszugehen.

   Um eine Abstimmung der Eigenfrequenz des SchiebermasseFeder-Schwingers auf diese Betriebsfrequenz zu erreichen, ist in den meisten Fällen eine deutliche Absenkung der Gesamtfedersteifigkeit cgesnötig, was bei gegebenem Schieberquerschnitt A nur durch eine Vergrösserung des Volumens V der Steuerräume 14 erzielt werden kann. Neben dem Nachteil eines grösseren Bauraums ist auch die Abhängigkeit des Kompressionsmoduls üblicher Hydraulikflüssigkeiten von Temperatur, Druck und vor allem vom Anteil nicht gelöster Gase in der Flüssigkeit zu beachten. Die resultierende Gesamtfedersteifigkeit variiert mit diesen Einflussgrössen, und ein genaues Einhalten einer bestimmten Eigenfrequenz wird dadurch unmöglich.
Der Nachteil des hohen Platzbedarfes weich abgestimmter Flüssigkeitsfederräume kann durch den Einsatz von hydropneumatischen Speichern 16 behoben werden.

   Auf diese Weise lassen sich bei kleinem Bauraum grosse hydraulische Kapazitäten realisieren. Die Steifigkeit variiert jedoch nun noch stärker als bei der reinen Flüssigkeitsfeder mit der Änderung von Druck und Temperatur.
Die Beeinflussung der Steifigkeit durch die Flüssigkeitseigenschaften kann nur ausgeschaltet werden, wenn die erforderliche Nachgiebigkeit nicht durch die Kompression des Druckmediums erreicht wird.

   Möglich ist dies durch den Einbau von nachgiebigen Elementen 17 in die Wandung der Steuerräume.
Wird sowohl der zeitliche Kraftmittelwert FQ als auch die sinusförmige Erregerkraft mit der Amplitude Fexcvon ein und demselben Aktuator auf den Schieber ausgeübt, so kann zwar durch eine Ausnützung des Resonanzeffektes die Amplitude Fexcgering gehalten werden, die Federsteifigkeit c beträgt jedoch ra^r , wodurch bei kleinen Periodendauern T bzw. grossen Schiebermassen m hohe Mittelkräfte F0vom Aktuator aufgebracht werden müssen. Es erscheint daher vorteilhaft, die Erzeugung der periodischen Kraftschwingung mit der Amplitude Fexcvom Aufbringen der mittleren Kraft FQ ZU entkoppeln. Ein eigener Aktuator 18 wird für die Erzeugung der harmonischen Erregerkraftschwingung vorgesehen.

   Wird ein Elektromagnet verwendet, so kann ein nachgiebiger Abschnitt 17 der Wand eines Steuerraumes 20 gleich als Anker verwendet werden.
Die bis jetzt dargestellte Ausführung des Ventils lehnt sich stark an den üblichen Aufbau eines hydraulisch vorgesteuerten Schieberventils an. Damit ist der Vorteil verbunden, alle bekannten Ventiltopologien, insbesondere auch ein 4/3- Wegeventil mit einer gegenläufigen Puls- Weiten-Modulation beider Arbeitsanschlüsse realisieren zu können. Ein Nachteil besteht darin, dass beide an den Stirnflächen des Schiebers gelegenen Steuerräume einen Beitrag zur auf den Schieber wirkenden Federkraft liefern. Wird zur Erzielung einer niedrigen Eigenfrequenz eine niedrige Gesamtfedersteifigkeit gefordert, so müssen beide Steuerräume mit hoher Nachgiebigkeit versehen werden.

   Aus Gründen einer ausreichenden Festigkeit ist jedoch die Nachgiebigkeit der Wand beschränkt, sodass eine weitere Erniedrigung der Gesamtfedersteifigkeit nur durch Entfernen einzelner Federn zu erzielen ist.
Auf die Schraubenfedern zur Zentrierung des Schiebers kann verzichtet werden, wenn ein Wegaufnehmer 24 zur Erfassung der axialen Lage des Schiebers vorgesehen und eine sogenannte elektrische Rückführung aufgebaut wird. Die Federwirkung der Flüssigkeit an der Stirnfläche des Schiebers kann vermieden werden, wenn der Druck an dieser Stelle konstant gehalten wird. Diese Forderung lässt sich annähernd erfüllen, wenn der betreffende Steuerraum mit einem der beiden konstanten Versorgungsdrücke beaufschlagt wird.

   Um den Nullpunkt der Schieberschwingung durch Beeinflussung des an der gegenüberliegenden Stirnfläche wirksamen Druckes mittels eines Vorsteuerventiles verstellen zu können, muss entweder der Niederdruck als Konstantbeaufschlagung verwendet, oder das Vorsteuerventil mit einem eigenen Steuerdruck versorgt werden, der höher liegt als der am resonant schwingenden Schieber anstehende Hochdruck. Somit ist es besser, für die Konstantdruckbeaufschlagung der einen Steuerstirnfläche den Niederdruck zu verwenden.
Die am verbleibenden, federwirksamen Steuerraum 20 vorhandene, nachgiebige Wand 17 muss ausreichende Festigkeit besitzen.

   Da der hier wirksame Druck im zeitlichen Mittel dem auf der gegenüberliegenden Seite anstehenden Konstantdruck entspricht, empfiehlt es sich einmal mehr den Niederdruck zu verwenden.
Die mit Konstantdruck beaufschlagte Steuerstirnfläche kann an ihrem Umfang auch als Steuerkante benutzt werden. Dadurch baut das Ventil kleiner.
Die Ankopplung des Aktuators für die Schwingungserregung kann auch über einen Kolben 21 erfolgen. Diese Krafteinleitung bietet sich insbesondere für einen Piezo-Stapelaktuator 22 an, weil der Piezoaktuator axial mit einer konstanten Vorspannkraft beaufschlagt wird, und weil die bei Piezoaktuatoren erheblichen Wärmedehnungen auf einfache Art und Weise ausgeglichen werden.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Schwingschieberventil mit mindestens einem Schieber (1), mindestens einem auf den Schieber wirkenden Steuerraum (2), mindestens einem Aktuator (3) und mindestens einer nachgiebigen Wand (4), wobei der Schieber (1) in Verbindung mit dem Steuerraum (2) und der nachgiebigen Wand (4) ein schwingungsfähiges System bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems wesentlich durch die Nachgiebigkeit der Wand (4) beeinflusst wird.

1. Schwingschieberventil mit mindestens einem Aktuator (3), mindestens einem Schieber^) und mindestens einem auf den Schieber (1) wirkenden, energiespeichernden Element (2) wobei der Schieber (1) in Verbindung mit dem energiespeichernden Element (2) ein schwingungsfähiges System bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (1) durch den Aktuator (3) zu periodischen Schwingungen in seiner Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) angeregt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungserregung durch Einleitung einer Erregerkraft in die nachgiebig ausgeführte Wand (4) eines oder mehrerer Steuerräume (2) erfolgt.

2. Schwingschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt der Schwingungsbewegung des Schiebers (1) durch den Aktuator (3) oder mindestens einen weiteren Aktuator verstellt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungserregung durch Einleitung einer Erregerkraft in einen oder mehrere Kolben (9) erfolgt, und diese

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Kolben auf einen oder mehrere Steuerräume (3) wirken.

3. Schwingschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Schwingungserregung des Schiebers (1) durch Druckbeaufschlagung der Steuerräume (14) mittels eines Vorsteuerventiles (15) erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden an den Stirnflächen des Schiebers liegenden Steuerräume (3) mit Konstantdruck beaufschlagt wird, sodass sich an dieser Stirnfläche durch das Druckmedium keine Federwirkung ergibt.

4. Vorrichtung nach eindem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Eigenfrequenz des aus der Schiebermasse und dem auf den Schieber (1) wirkenden, energiespeichernden Element gebildeten schwingungsfähigen Systems durch den Einbau von hydropneumatischen Speichern (16) in den Steuerräumen (14) des Schwingschieberventiles oder durch die Verbindung dieser Steuerräume (14) mit hydropneumatischen Speichern (16) erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Eigenfrequenz des aus der Schiebermasse und dem auf den Schieber wirkenden, energiespeichernden Element gebildeten schwingungsfähigen Systems die Wand (17) eines oder mehrerer Steuerräume (14) ganz oder teilweise so nachgiebig ausgeführt wird, dass die Federsteifigkeit des Steuerraumes wesentlich durch die >

Nachgiebigkeit der Wand beeinflusst wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Schwingungserregung durch Einleitung einer Erregerkraft direkt in die nachgiebig ausgeführte Wand (17) eines oder mehrerer Steuerräume (20) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die resonante Schwingungserregung durch Einleitung einer Erregerkraft in einen oder mehrere Kolben (21) erfolgt, und diese Kolben auf einen oder mehrere Steuerräume (20) wirken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden an den Stirnflächen des Schiebers liegenden Steuerräume (23) mit Konstantdruck beaufschlagt wird, sodass sich an dieser Stirnfläche durch das Druckmedium keine Federwirkung ergibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der mit Konstantdruck beaufschlagten Schieberstirnfläche ganz oder teilweise als Steuerkante dient.

atentanspr c e

5. Vomchtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der mit Konstantdruck beaufschlagten Schieberstirnfläche ganz oder teilweise als Steuerkante dient.

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