AT501809B1 - Schwingschieberventil - Google Patents

Description

2 AT 501 809 B1

Die Erfindung betrifft ein Schwingschieberventil mit einem hydraulisch beaufschlagten Steuerkolben, und mindestens einem auf den Steuerkolben wirkenden, energiespeichernden Element, wobei an die äußeren Stirnflächen des Steuerkolbens anschließende, Hydraulikfluid enthaltende Steuerräume vorgesehen sind, und wobei der Steuerkolben in Verbindung mit mindestens einem energiespeichernden Element ein schwingungsfähiges System bildet, wobei mindestens ein einem Steuerraum benachbarter Aktuator das Hydraulikfluid in diesem Steuerraum und somit den Steuerkolben in eine periodische Schwingung in oder nahe bei der Eigenfrequenz dieses Systems versetzt.

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 Druckmittelversorgungsleitung rückgespeist wird. 3 AT 501 809 B1

Die durch die abwechselnde Verbindung mit der Druckmittelversorgungsleitung 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 B1 oder EP807212 B1. 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 A1), bei welchen die Betätigungsfrequenz durch eine Änderung der Drehzahl des Schiebers auf einfache Weise verstellt werden kann. In EP807212 B1 wird ein Drehschieberventil für die Puls-Weiten-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 A offenbart. Auch dieses Ventil weist mit insgesamt vier Schiebern, zwei Rückschlagventilen und einem elektromagnetischen Aktuator eine recht komplexe Konstruktion auf.

Um die für die Aufrechterhaltung einer periodischen Schwingungsbewegung des Schiebers nötige Antriebsleistung zu minimieren wird in US 3 490 337 A die Verwendung eines federzentrierten Schiebers und der Betrieb in der Resonanzfrequenz des entstehenden Feder-Masse-Schwingers vorgeschlagen. 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, genügt es wie in US 3 490 337 A offenbart, den Nullpunkt der Schieberschwingung verstellbar zu machen.

Ein federzentrierter Kolben ist in vielen vorgesteuerten 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 Steuerkolbens mit m, den Flächeninhalt der Steuerkolbenstirnflächen mit A, die Steifigkeit der beiden Zentrierfedern mit c, den Rauminhalt der Vorsteuerräume mit V und den effektiven Kompressionsmodul der verwendeten Druckflüssigkeit mit £', so erhält man für die resultierende Gesamtsteifigkeit der auf den Schieber wirkenden Zentrierfedern in Verbindung mit der in den Vorsteuerräumen eingeschlossenen Druckflüssigkeit den Ausdruck

Cges = 2 (c + E'*A21 V). 4 AT 501 809 B1 Für den Einsatz in periodisch schaltenden Konvertern ist von einer Betriebsfrequenz zwischen 50 und 1000 Hz auszugehen. Um eine Abstimmung der Eigenfrequenz des Schiebermasse-Feder-Schwingers auf diese Betriebsfrequenz zu erreichen, ist in den meisten Fällen eine deutliche Absenkung der Gesamtfedersteifigkeit cges nötig, was bei gegebenem Schieberquerschnitt A nur durch eine Vergrößerung des Volumens V der Steuerräume 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 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schwingschieberventil zu schaffen, welches ohne große Federräume auskommt und dessen Resonanzfrequenz nicht durch Schwankungen des Kompressionsmoduls der Hydraulikflüssigkeit oder des Gasdruckes in hydropneumatischen Speichern verändert wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest eine Wand mindestens eines Steuerraumes als elastisch nachgiebige, fluiddichte Wand ausgeführt ist.

Durch die getroffene Maßnahme findet sich die wesentliche Nachgiebigkeit in der Deformation der Wand des Steuerraumes und nicht mehr in der Kompression der im Steuerraum befindlichen Flüssigkeit. Die Flüssigkeit im Steuerraum erfüllt nun im Wesentlichen eine Getriebeaufgabe. Vorteilhafter Weise wird der Flächeninhalt der nachgiebigen Wand größer sein als die Schieberstirnfläche, wodurch eine kleine Wanddurchbiegung in einer großen Schieberamplitude resultiert.

Vorteilhafterweise ist der Aktuator ein außerhalb eines Steuerraumes nahe der zumindest einen nachgiebigen Wand angeordneter Elektromagnet, dessen Erregerkraft direkt auf die nachgiebige Wand wirkt und diese in Schwingung versetzt.

Bei einer alternativen Ausführungsform besteht der Aktuator aus einem Piezo-Stapelaktuator, der einen mit einer Stirnfläche an einen Steuerraum anschließenden Kolben in Schwingung versetzt. Der Piezoaktuator wird auf dies Weise axial mit einer Vorspannkraft beaufschlagt, und die bei Piezoaktuatoren erheblichen Wärmedehnungen können auf einfache Art und Weise ausgeglichen werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform kommen neben den Hydraulikfluid enthaltenden Steuerräumen und der nachgiebigen, fluiddichten Wand auch Federn und/oder hydropneumatische Speicher als energiespeichernde Elemente zum Einsatz. Auf diese Weise können Zentrierfedern zur Einstellung einer definierten Schiebergrundstellung bei fehlender Druckversorgung verwendet werden. Die Verwendung hydropneumatischer Speicher erlaubt durch die hohe Nachgiebigkeit des Gases eine Erzielung besonders niedriger Eigenfrequenzen, ist allerdings wie bereits erwähnt mit dem Nachteil einer Temperaturabhängigkeit verbunden.

Vorteilhaftweise wird zumindest ein Aktuator für die Verstellung des Nullpunktes der Schieberschwingung benutzt wird. Somit kann das Pulsweitenverhältnis des zwischen Versorgungs- und Tankdruck modulierten Verbraucherdruckes beeinflusst werden.

Ist die Erzielung einer niedrigen Eigenfrequenz gefordert, so wird vorteilhafterweise ein an einer 5 AT 501 809 B1 der äußeren Stirnflächen des Steuerkolbens anschließender Steuerraum mit Konstantdruck beaufschlagt. Dadurch wird der Nachteil, dass beide an den Stirnflächen des Schiebers gelegenen Steuerräume einen Beitrag zur auf den Schieber wirkenden Federkraft liefern, behoben. Aus Gründen einer ausreichenden Festigkeit ist die Nachgiebigkeit der Wand beschränkt, so-dass eine weitere Erniedrigung der Gesamtfedersteifigkeit nur durch Entfernen einzelner Federn zu erzielen ist. Auf Schraubenfedern zur Zentrierung des Steuerkolbens kann verzichtet werden, wenn ein Wegaufnehmer zur Erfassung der axialen Lage des Schiebers vorgesehen und eine sogenannte elektrische Rückführung aufgebaut wird. Die Federwirkung der Flüssigkeit an der Stirnfläche des Steuerkolbens kann vermieden werden, wenn der Druck an dieser Stelle konstant gehalten wird. Diese Forderung lässt sich annähernd erfüllen, wenn ein 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 vorhandene, elastisch nachgiebige Wand 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.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform dient der Umfang der mit Konstantdruck beaufschlagten Steuerkolbenstirnfläche ganz oder teilweise als Steuerkante. Dadurch baut das Ventil kleiner.

In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung eines Schwingschieberventils; Fig. 2 das Prinzip der Puls-Weitenmodulation mit einem sinusförmig schwingenden Schieberventil; Fig. 3 ein Schwingschieberventil mit Schraubenfedern; Fig. 4 ein Schwingschieberventil mit hydropneumatischen Speicher; Fig. 5 ein Schwingschieberventil mit elastisch nachgiebigen, fluiddichten Wänden; Fig. 6 ein Schwingschieberventil mit einem Elektromagnet als Aktuator; Fig. 7 ein Schwingschieberventil mit einseitiger Konstantdruckbeaufschlagung des Steuerkolbens; Fig. 8 ein Schwingschieberventil mit Piezoaktuator.

In Fig. 1 ist das Schaltzeichen eines Schwingschieberventils mit einem Steuerkolben 1, einem energiespeichernden Element 2 und einem Aktuator 3 zu sehen.

Das Prinzip der Puls-Weiten-Modulation eines Arbeitsanschlusses 11 zwischen einem Druckmittelanschluss 10 und einem Tank- bzw. Rückleitungsanschluss 12 zeigt die Fig. 2. Bei einer neutralen Lage des Nullpunktes der Schwingung des Steuerkolbens 1 ergibt sich eine symmetrische Aufteilung zwischen der zwischen Druckmittelanschluss 10 und Verbraucheranschluss 11 freigegebenen Ventilöffnung 5 und der zwischen Verbraucheranschluss 11 und Rückleitungsanschluss 12 freigebenen Ventilöffnung 4. Bei einer Verschiebung des Nullpunktes nach oben erhält man eine länger andauernde Ventilöffnung 6 zum Rückleitungsanschluss 12 und eine verkürzte Ventilöffnung 7 zum Druckmittelanschluss 10. Umgekehrt bewirkt eine Verschiebung des Nullpunktes der Schwingung des Steuerkolbens 1 nach unten eine länger andauernde Ventilöffnung 8 zwischen dem Verbraucheranschluss 11 und dem Druckmittelanschluss 10 sowie eine kürzere Ventilöffnung 9 zwischen dem Verbraucheranschluss 11 und dem Rückleitungsanschluss 12.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Federn 13 und Hydraulikfluid enthaltenden Steuerräumen 14 als energiespeicherndem Element 2 sowie einem Vorsteuerventil 15 als Aktuator 3. Dieses Vorsteuerventil kann sowohl zur Einstellung des Schieberschwingungsnullpunktes als auch für die Erregung zur Aufrechterhaltung der Schwingungsamplitude eingesetzt werden.

Claims (7)

1. 6 AT 501 809 B1 Die Verwendung von hydropneumatischen Speichern 16 als energiespeicherndes Element 2 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Verwendung einer elastisch nachgiebigen, fluiddichten Wand 17 als energiespeicherndes Element 2 wird in Fig. 5 gezeigt. Die Fig. 6 stellt einen Elektromagneten 18 als Aktuator 3 dar. Dabei dient die elastisch nachgiebige, fluiddichte Wand 17 sowohl als energiespeicherndes Element 2 als auch als Anker für den Elektromagneten. In der Fig. 7 dient der Steuerraum 20 in Verbindung mit der elastisch nachgiebigen Wand 17 und dem Elektromagneten 18 der Aufbringung der Erregerkraft. Der Steuerraum 23 hingegen wird zur Erzielung einer niedrigeren Gesamtfedersteifigkeit auf Konstantdruck gehalten. Ein Wegaufnehmer 24 ermöglicht den Aufbau einer elektrischen Rückführung und den Betrieb ohne Zentrierfedern 13. In der Fig. 8 wird ein Ausführungsbeispiel mit einem Piezo-Stapelaktuator 22 und einem an den Steuerraum 20 anschließenden Kolben 21 als Aktuator 3 für die Aufbringung der Erregerkraft gezeigt. Patentansprüche: 1. Schwingschieberventil mit einem hydraulisch beaufschlagten Steuerkolben (1), und mindestens einem auf den Steuerkolben (1) wirkenden, energiespeichernden Element (2, 13, 16), wobei an die äußeren Stirnflächen des Steuerkolbens (1) anschließende, Hydraulikfluid enthaltende Steuerräume (14, 20) vorgesehen sind, und wobei der Steuerkolben (1) in Verbindung mit mindestens einem energiespeichernden Element (2, 13, 16) ein schwingungsfähiges System bildet, wobei mindestens ein einem Steuerraum (14, 20) benachbarter Aktuator (3, 18, 21, 22) das Hydraulikfluid in diesem Steuerraum (14, 20) und somit den Steuerkolben (1) in eine periodische Schwingung in oder nahe bei der Eigenfrequenz dieses Systems versetzt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wand (17) mindestens eines Steuerraumes (14, 20) als elastisch nachgiebige, fluiddichte Wand ausgeführt ist.
2. 2. Schwingschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (3) ein außerhalb eines Steuerraumes (20) nahe der zumindest einen nachgiebigen Wand (17) angeordneter Elektromagnet (18) ist, dessen Erregerkraft direkt auf die nachgiebige Wand (17) wirkt und diese in Schwingung versetzt.
3. 3. Schwingschieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (3) aus einem Piezo-Stapelaktuator (22) besteht, der einen mit einer Stirnfläche an einen Steuerraum (20) anschließenden Kolben (21) in Schwingung versetzt.
4. 4. Schwingschieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als energiespeichernde Elemente (2, 13, 16) Federn (13) und/oder hydropneumatische Speicher (16) zum Einsatz kommen.
5. 5. Schwingschieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktuator (3, 18, 21, 22) für die Verstellung des Nullpunktes der Schieberschwingung benutzt wird.
6. 6. Schwingschieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einer der äußeren Stirnflächen des Steuerkolbens (1) anschließender Steuerraum (23) mit Konstantdruck beaufschlagt wird. 7 AT 501 809 B1
7. 7. Schwingschieberventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der mit Konstantdruck beaufschlagten Steuerkolbenstirnfläche ganz oder teilweise als Steuerkante dient. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen