Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Vierwegventil, bei dem ein in einem Zylinder verschiebbarer Steuerkolben durch an seinen Enden angreifende Stellmotoren betätigt wird, wobei der Wirkung der Steuersignale auf den Steuerkolben die Wirkung periodischer Impulse überlagert ist.
Steuerventile, bei denen m einem Steuerzylinder ein Steuerkolben in Abhängigkeit von einer magnetischen, pneumatischen, hydraulischen Feder- oder ähnlichen Verstellkraft beweglich ist, weisen den Nachteil einer Hysterese auf.
Ursache dieser Hysterese ist vor allem die Haftreibung des Kolbens gegenüber dem Zylinder. Diese Haftreibung wird auch dadurch hervorgerufen, dass geringe Flüssigkeitsmengen in den Ringspalt zwischen Zylinder und Kolben dringen, wodurch sich Verunreinigungen in den Ringspalten festsetzen.
Um nun die Hysterese, insbesondere soweit sie durch diese Verunreinigungen hervorgerufen ist, zu überwinden, ist eine erhöhte Stellkraft auf den Steuerkolben auszuüben. Sobald dann allerdings die Haftreibung überwunden bzw. die Verunreinigungen beseitigt oder zerstört sind, bewirkt diese erhöhte Stellkraft eine Bewegung des Steuerkolbens, die über das gewünschte Mass hinausgeht.
Diese Erscheinung ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Steuerkolben in stetiger Abhängigkeit von der Stellkraft bewegt und eine stetige Abhängigkeit zwischen Stellkraft und Förderstrom erreicht werden soll. Eine derartige stetige Abhängigkeit zwischen Stellkraft und Ventilstellung ist z. B. dort erwünscht, wo unabhängig vom Druck des hydraulischen Systems konstante, voreinstellbare Fördermengen geliefert werden sollen, wie es z. B. bei hydraulisch betriebenen Fahrzeugen, Winden, Aufzügen, Kränen, Werkzeugmaschinenschlitten und ähnlichem der Fall ist.
Zur Behebung der durch Haftreibung und Verunreinigungen hervorgerufenen Hysterese ist es bei Steuerventilen, deren Steuerkolben durch Elektromagnete betätigt werden, bekannt, die Elektromagnete mit einem pulsierenden Strom zu beaufschlagen (Hydraulic, Pneumatic Power, Juni 1974, Seite 227 ff. insbesondere Seite 229).
Diese bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die Impulsbeaufschlagung des der Verstellung des Steuerkolbens dienenden Elektromagneten lastabhängig ist. Mit ihr lassen sich Hystereseerscheinungen nur bei relativ grossen Verstellwegen des Steuerkolbens verhindern, nicht dagegen, wenn der Steuerkolben nur wenig aus der oder durch die Nullstellung bewegt werden soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerventil bereitzustellen, das durch eine geeignete Beaufschlagung des Steuerkolbens mit einer Impulskette auch in der Nullstellung keine oder allenfalls vernachlässigbare Hystereseerscheinungen aufweist.
Das erfindungsgemässe hydraulische Vierwegventil ist dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Impulse in beiden Richtungen mit gleicher Frequenz, Impulsdauer und Amplitude im Gegentakt, jedoch ohne Impulsüberlappung auf den Steuerkolben wirken und dass sie unabhängig vom Steuersignal sind.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der Steuerkolben mit konstanter Amplitude um seine durch das Steuersignal definierte Arbeitsstellung oszilliert, wobei durch die Symmetrie der Impulse ein Driften des Kolbens in die eine oder andere Richtung verhindert wird. Derartige Steuerventile sind in beiden Richtungen und auch durch die Nullstellung ohne technisch beachtliche Hysterese steuerbar. Eine Hysterese bzw. erhöhte Haftung des Steuerkolbens ist im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen auch dann nicht feststellbar, wenn sich der Steuerkolben längere Zeit in einer bestimmten Arbeitsstellung oder der Nullstellung befunden hat
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventils wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein hydraulisches Vierweg-Proportionalventil mit einem erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventil als Vorsteuerventil,
Fig. 2 Schaltung der Elektromagnete für das Vorsteuerventil nach Fig. 1,
Fig. 3 Ausführung der Impulsgeneratoren für die Schaltung nach Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Vierweghauptsteuerventil mit einem daran angeschlossenen erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventil in Form eines Vorsteuerventils dargestellt.
Im Gehäuse des Hauptsteuerventils ist ein Kolben 4 axial verschiebbar angeordnet. Dieser Kolben verbindet in bekannter Weise je nach Auslenkung aus der gezeigten Mittel- oder Neutralstellung den einen Anschluss 5 oder den anderen Anschluss 6 eines nicht dargestellten hydraulischen Verbrauchers mit einer ebenfalls nicht dargestellten, von einer Pumpe herkommenden Leitung 7, während der jeweils nicht damit verbundene Anschluss (6 oder 5) mit einem Rücklauf 8 zu einem nicht dargestellten Tank verbunden wird. Die Wirkungsweise solcher Hauptsteuerventile ist bekannt.
Zu jedem stirnseitigen Ende 9 und 10 des Kolbens 4 führt eine Steuerleitung 11 bzw. 12, welche vom Vorsteuerventil 2 herkommt. Anderseits führt eine Querbohrung 13 von der Pumpleitung 7 bis in die Bohrung 14 des Vorsteuerventils.
Das Vorsteuerventil weist zwei Verstellmotoren, die Elektromagnete 19 und 20 auf. Jeder Magnet wirkt auf die zugehörige Stirnseite des Vorsteuerkolbens 22, welcher in der Bohrung 14 axial verschiebbar ist. Der Vorsteuerkolben 22 besitzt an den Einmündungen der Steuerleitungen 11 und 12 in die Bohrung 14 Steuerkanten 23. Diese Steuerkanten liegen in der gezeigten Neutralstellung des Kolbens 22 genau an den Rändern der genannten Einmündungen (sogenannte Nullüberdekkung), so dass bei der geringsten Verschiebung des Kolbens 22 jeweils zwei dieser Kanten eine sofortige Öffnung und damit einen maximalen Anstieg des Druckes in einer der Steuerleitungen bewirken (maximale Drucksteilheit). Damit wird ein sofortiges Ansprechen des Hauptventilkolbens 4 erreicht.
Die Bohrung 14 ist durch die Leitung 16 und Verbindungskanal 24 mit dem Rücklauf verbunden.
Das Rückführungsglied 25, welches die beiden Kolben 4 und 22 miteinander verbindet, befindet sich in der Bohrung 13. Es ist hier als Federstab ausgebildet, welcher am Kolben 4 beispielsweise mittels eines Gewindes in eine entsprechende Bohrung eingeschraubt ist. Das freie Ende des Federstabes 25 greift in eine Vertiefung im Kolben 22 bei möglichst punktförmiger Übertragung der Rückstellkraft.
Das dargestellte Betätigungsorgan arbeitet wie folgt:
Es sei angenommen, dass der Magnet 19 erregt wird und dadurch den Kolben 22 nach rechts verschiebt. Dadurch wird die Querbohrung 13 mit der Steuerleitung 12 verbunden, und der Druck in der Pumpleitung 7 gelangt auf das stirnseitige Ende 10 des Kolbens 4, welcher dadurch in entgegengesetzter Richtung, in Fig. 1 also nach links verschoben wird. Damit wird der Anschluss 5 des Verbrauchers mit der Pumpleitung 7 verbunden. Am Vorsteuerventil wird ferner die Leitung 11 über den Kanal 24 mit der Rücklaufleitung 16 verbunden, womit das stirnseitige Ende 9 des Kolbens 4 druckentlastet wird. Durch die Bewegung des Kolbens 4 wird auch der Anschluss 6 mit dem Rücklauf 8 verbunden und ebenfalls druckentlastet.
Die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben 4 und 22 hat eine Durchbiegung des Federstabes 25 zur Folge, wobei zu beachten ist, dass die Verschiebung des Kolbens 22 wegen der erwähnten Nullüberdeckung nur sehr gering zu sein braucht (wenige Zehntelmillimeter genügen). Diese Durchbiegung bewirkt eine axiale Kraft auf den Kolben 22. Sie ist umso grös ser, je grösser die Auslenkung des Kolbens 4 ist und wirkt entgegengesetzt der Kraft des erregten Magneten, in diesem Beispiel des Magneten 19. Wird durch das kontinuierliche Zuströmen von Druckflüssigkeit zum Ende 10 des Kolbens 4 dieser mehr und mehr nach links verschoben, so wächst diese Rückführkraft an, bis sie schliesslich gleich derjenigen des Magneten 19 wird. Der Vorsteuerkolben 22 wird in seine Mittellage zurückgeführt.
Da der Druckabfall an der Steuerkante 23 zwischen der Querbohrung 13 und den Steuerleitungen 12 und 11 demzufolge annähernd gleich ist, bewegt sich auch der Kolben 4 nicht mehr. Es ergibt sich somit ein Gleichgewicht aller Kräfte; dieses stellt sich jedesmal wieder neu ein, sobald eine der Kräfte sich ändert, insbesondere die Kraft des Magneten 19. Dies gilt auch beim Abschalten des Magneten; durch den Rückführstab und die hydraulischen Drücke werden die beiden Kolben zwangsläufig wieder in ihre Neutralstellung zurückgeführt.
In Fig. 2 ist die Schaltung der Elektromagnete 19, 20 dargestellt. Über die Ein/Ausschalter 38, 39 wird der Magnet 19 bzw. 20 erregt. Die Verriegelungsschalter V19 bzw. V20 verhindern, dass die Magnete 19 und 20 gleichzeitig erregt werden. Beim Schliessen des Schalters 38 wird der Verriegelungsschalter V19 z. B. über ein nicht dargestelltes Relais oder über eine mechanische oder auch elektrische Verbindung zwischen dem Magneten 19 und dem Schalter V19 geöffnet. Umgekehrt wird selbstverständlich genauso der Verriegelungsschalter V20 beim Schliessen des Schalters 39 geöffnet.
Gleichzeitig mit den Ein/Ausschaltern wird der einstellbare Vorwiderstand 41 verstellt. Über den einstellbaren Widerstand 40 kann die Stromstärke und damit die jeweilige Magnetkraft in den Magneten 19 bzw. 20 eingestellt werden. Unabhängig von den Ein/Ausschaltern 38, 39 und den einstellbaren Widerständen 40, 41 ist den Elektromagneten 19, 20 ein Impulsgenerator III zugeschaltet. Der Impulsgenerator hat zwei Ausgänge, wobei jeweils ein Ausgang dem einen bzw. dem anderen Elektromagneten zugeschaltet ist.
Der Impulsgenerator III wird durch einen besonderen Schalter unabhängig von den für die Steuersignale massgebenden Stromkreisen betätigt.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Impulsgenerators III.
Er besteht aus einem astabilen Vibrator, der als Ausgangssignal eine dauernde Impulskette an zwei zueinander parallel geschaltete monostabile Vibratoren liefert, wobei der erste monostabile Vibrator von der Ein-Flanke der Impulse des astabilen Vibrators und der andere monostabile Vibrator von der Aus-Flanke des astabilen Vibrators angesteuert wird. Die Impulsdauer beider monostabiler Vibratoren ist einstellbar.
Fig. 3a zeigt die zeitliche Zuordnung der Ausgangssignale des astabilen Vibrators (oben) und der beiden monostabilen Vibratoren. Die Impulse der monostabilen Vibratoren sind nach Frequenz, Impulsdauer und Amplitude identisch, sie erfolgen jedoch im Gegentakt und ohne Impulsüberlagerung.
Die Dioden 4346 dienen dazu, die Steuerstromkreise der Elektromagneten und die Stromkreise des Impulsgenerators III zu entkoppeln. Die übrigen Dioden dienen dem Schutz der elektronischen Bauteile vor Schaltstromstössen.
Geeignete Schaltungen für einen astabilen Vibrator sind enthalten in z. B. LUEGER Lexikon der Technik, Elektrotechnik und Kerntechnik Grundlagen Hamburg 1971. Die Schaltung für zeiteinstellbare mono stabile Vibratoren ergibt sich z. B. aus BERNHARD, Digitale Steuerungstechnik Würzburg 1964, Seite 40, 41. Die Elektromagnete 19, 20 erhalten also unabhängig davon, ob mit welcher Intensität das Vorsteuerventil angesteuert wird, eine Kette von gegenläufigen Impulsen aufgeprägt, was zu einer ständigen Vibration des Steuerkolbens 22 führt. Dadurch wird Haftreibung vermieden.
Durch Leckage in die Ringspalte eingeschleppte Verunreinigungen werden sofort zerstört und sodann ausgespült. Durch die Symmetrie der durch den Impulsgenerator III ausgelösten Impulse wird verhindert, dass der Steuerkolben 22 in der einen oder anderen Richtung driftet.
In diesem Ausführungsbeispiel werden als Stellmotoren Elektromagnete verwandt. Der Vorsteuerkolben 22 kann jedoch auch pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch verstellt werden. Ebenso ist es möglich, die Stellkraft nur durch einen in beide Bewegungsrichtungen aktivierbaren Stellmotor aufzubringen. Weiterhin können die Bewegungsimpulse nicht nur - wie es anhand der folgenden Fig. 2 und 3 beschrieben ist, durch den Stellmotor ausgeübt werden, indem parallel zum Steuersignal zusätzliche Impulse auf den Stellmotor ausgeübt werden. Es ist vielmehr auch möglich, den Stellmotor lediglich mit dem Steuersignal zu beaufschlagen und parallel zu dem Kraftschluss zwischen Stellmotor und Steuerkolben eine zweite pulsierende Kraft auf den Steuerkolben auszuüben.
The invention relates to a hydraulic four-way valve in which a control piston displaceable in a cylinder is actuated by servomotors acting at its ends, the effect of the control signals on the control piston being superimposed on the effect of periodic pulses.
Control valves in which a control piston is movable in a control cylinder as a function of a magnetic, pneumatic, hydraulic spring or similar adjusting force, have the disadvantage of hysteresis.
The main cause of this hysteresis is the static friction between the piston and the cylinder. This static friction is also caused by the fact that small amounts of liquid penetrate the annular gap between the cylinder and piston, as a result of which impurities accumulate in the annular gaps.
In order to overcome the hysteresis, in particular to the extent that it is caused by these impurities, an increased actuating force must be exerted on the control piston. However, as soon as the static friction has been overcome or the impurities have been removed or destroyed, this increased actuating force causes the control piston to move beyond the desired extent.
This phenomenon is particularly disadvantageous when the control piston moves in constant dependence on the actuating force and a constant dependence between the actuating force and the delivery flow is to be achieved. Such a constant dependence between actuating force and valve position is z. B. desired where, regardless of the pressure of the hydraulic system, constant, presettable flow rates are to be delivered, as z. B. is the case with hydraulically operated vehicles, winches, elevators, cranes, machine tool slides and the like.
To eliminate the hysteresis caused by static friction and contamination, it is known in control valves whose control pistons are actuated by electromagnets to apply a pulsating current to the electromagnets (Hydraulic, Pneumatic Power, June 1974, page 227 ff. In particular page 229).
This known device, however, has the disadvantage that the impulses applied to the electromagnet used to adjust the control piston are load-dependent. With it, hysteresis phenomena can only be prevented with relatively large adjustment paths of the control piston, but not when the control piston is only to be moved a little out of or through the zero position.
It is the object of the present invention to provide a control valve which, by suitably applying a pulse chain to the control piston, has no or at most negligible hysteresis phenomena even in the zero position.
The hydraulic four-way valve according to the invention is characterized in that the periodic pulses act on the control piston in both directions with the same frequency, pulse duration and amplitude in push-pull, but without pulse overlap and that they are independent of the control signal.
The advantage of this solution is that the control piston oscillates with a constant amplitude around its working position defined by the control signal, the symmetry of the pulses preventing the piston from drifting in one direction or the other. Such control valves can be controlled in both directions and also through the zero position without a technically significant hysteresis. In contrast to the known designs, a hysteresis or increased adhesion of the control piston cannot be determined even if the control piston has been in a certain working position or the zero position for a long time
An embodiment of the hydraulic four-way valve according to the invention is described below with reference to the drawings.
Show it:
1 shows a hydraulic four-way proportional valve with a hydraulic four-way valve according to the invention as a pilot valve,
Fig. 2 Circuit of the electromagnets for the pilot valve according to Fig. 1,
FIG. 3 Execution of the pulse generators for the circuit according to FIG. 2.
1 shows a four-way main control valve with a hydraulic four-way valve according to the invention connected to it in the form of a pilot control valve.
A piston 4 is arranged axially displaceably in the housing of the main control valve. This piston connects in a known manner, depending on the deflection from the center or neutral position shown, one connection 5 or the other connection 6 of a hydraulic consumer, not shown, with a line 7, likewise not shown, coming from a pump, while the connection not connected to it (6 or 5) is connected to a return 8 to a tank, not shown. The operation of such main control valves is known.
A control line 11 or 12, which comes from the pilot control valve 2, leads to each end 9 and 10 of the piston 4. On the other hand, a transverse bore 13 leads from the pump line 7 into the bore 14 of the pilot valve.
The pilot control valve has two adjusting motors, the electromagnets 19 and 20. Each magnet acts on the associated end face of the pilot piston 22, which is axially displaceable in the bore 14. The pilot piston 22 has control edges 23 at the confluence of the control lines 11 and 12 in the bore 14. In the shown neutral position of the piston 22, these control edges lie exactly on the edges of the mentioned confluences (so-called zero overlap), so that with the slightest displacement of the piston 22 Two of these edges each cause an immediate opening and thus a maximum increase in pressure in one of the control lines (maximum pressure gradient). An immediate response of the main valve piston 4 is thus achieved.
The bore 14 is connected to the return through the line 16 and connecting channel 24.
The return member 25, which connects the two pistons 4 and 22 to one another, is located in the bore 13. It is designed here as a spring rod which is screwed into a corresponding bore on the piston 4, for example by means of a thread. The free end of the spring rod 25 engages in a recess in the piston 22 with the most punctiform transmission of the restoring force.
The actuator shown works as follows:
It is assumed that the magnet 19 is excited and thereby displaces the piston 22 to the right. As a result, the transverse bore 13 is connected to the control line 12, and the pressure in the pump line 7 reaches the front end 10 of the piston 4, which is thereby shifted in the opposite direction, i.e. to the left in FIG. 1. The connection 5 of the consumer is thus connected to the pump line 7. At the pilot valve, the line 11 is also connected via the channel 24 to the return line 16, whereby the front end 9 of the piston 4 is relieved of pressure. The movement of the piston 4 also connects the connection 6 to the return line 8 and also relieves the pressure.
The opposite movement of the two pistons 4 and 22 results in a deflection of the spring rod 25, whereby it should be noted that the displacement of the piston 22 only needs to be very small (a few tenths of a millimeter are sufficient) because of the zero overlap mentioned. This deflection causes an axial force on the piston 22. The greater the deflection of the piston 4, the greater the force and counteracts the force of the energized magnet, in this example the magnet 19. Is terminated by the continuous influx of hydraulic fluid 10 of the piston 4 of this is displaced more and more to the left, this return force increases until it finally becomes equal to that of the magnet 19. The pilot piston 22 is returned to its central position.
Since the pressure drop at the control edge 23 between the transverse bore 13 and the control lines 12 and 11 is consequently approximately the same, the piston 4 no longer moves either. There is thus a balance of all forces; this is set again every time one of the forces changes, in particular the force of the magnet 19. This also applies when the magnet is switched off; The two pistons are inevitably returned to their neutral position by the feedback rod and the hydraulic pressures.
In Fig. 2, the circuit of the electromagnets 19, 20 is shown. The magnet 19 or 20 is excited via the on / off switches 38, 39. The locking switches V19 and V20 prevent the magnets 19 and 20 from being excited at the same time. When the switch 38 is closed, the locking switch V19 z. B. opened via a relay (not shown) or via a mechanical or electrical connection between the magnet 19 and the switch V19. Conversely, of course, the locking switch V20 is also opened when the switch 39 is closed.
The adjustable series resistor 41 is adjusted simultaneously with the on / off switches. The current intensity and thus the respective magnetic force in the magnets 19 and 20 can be adjusted via the adjustable resistor 40. Independently of the on / off switches 38, 39 and the adjustable resistors 40, 41, a pulse generator III is connected to the electromagnets 19, 20. The pulse generator has two outputs, one output being connected to one or the other of the electromagnets.
The pulse generator III is operated by a special switch independently of the circuits that are relevant for the control signals.
Fig. 3 shows the block diagram of a pulse generator III.
It consists of an astable vibrator, which supplies a continuous pulse chain as an output signal to two monostable vibrators connected in parallel, the first monostable vibrator from the on-edge of the pulses of the astable vibrator and the other monostable vibrator from the off-edge of the astable vibrator is controlled. The pulse duration of both monostable vibrators is adjustable.
Fig. 3a shows the time allocation of the output signals of the astable vibrator (above) and the two monostable vibrators. The impulses of the monostable vibrators are identical in terms of frequency, impulse duration and amplitude, but they occur in push-pull mode and without impulse superimposition.
The diodes 4346 are used to decouple the control circuits of the electromagnets and the circuits of the pulse generator III. The other diodes serve to protect the electronic components from switching current surges.
Suitable circuits for an astable vibrator are contained in e.g. B. LUEGER Lexicon of Technology, Electrical Engineering and Nuclear Technology Basics Hamburg 1971. The circuit for time-adjustable monostable vibrators results z. B. from BERNHARD, Digitale Steuerungstechnik Würzburg 1964, page 40, 41. The electromagnets 19, 20 receive a chain of counter-rotating impulses regardless of whether the pilot valve is activated with which intensity, which leads to a constant vibration of the control piston 22 . This avoids static friction.
Impurities brought into the annular gap through leakage are immediately destroyed and then flushed out. The symmetry of the pulses triggered by the pulse generator III prevents the control piston 22 from drifting in one direction or the other.
In this embodiment, electromagnets are used as servomotors. The pilot piston 22 can, however, also be adjusted pneumatically, hydraulically or mechanically. It is also possible to apply the actuating force only by a servomotor that can be activated in both directions of movement. Furthermore, the movement impulses can not only be exerted by the servomotor - as described with reference to the following FIGS. Rather, it is also possible to only apply the control signal to the servomotor and to exert a second pulsating force on the control piston parallel to the frictional connection between servomotor and control piston.