CN1070584C - 先导控制伺服阀 - Google Patents

Abstract

一种先导控制伺服阀具有四个主流腔，带有四个控制边的轴向滑动主控制阀芯，以及限定主控制阀芯的弹簧对中中心位置的回复弹簧。一阀套有对应于第一、第二、第三主要流动腔的环形开口，以及对应于第四主要流动腔的前开口。压力平衡面由位于弹簧腔内的主控制阀芯的第二前表面形成。主控制阀芯将第四主要流动腔内的压力通过卸压通道作用在压力平衡面上。一横向孔连接卸压通道和辅助腔。该阀可整个放在液压体内，节省空间，并具有明确限定的中间位置，具有优良的动态性能。

Description

先导控制伺服阀

本发明涉及带有四个主流口的先导控制伺服阀。

带有四个主流口的两级或多级设计的电液伺服阀用作四通阀，以控制液压缸中直线运动的位置、速度和力，或者控制液压马达旋转运动的位置、转动速度和扭矩。

它们一般设计成板式连接阀，即它们有一个棱形的阀体以便安装在液压体的连接区上。阀的四个主流口位于阀体的平面形的连接区上，而且它们通向主控制阀芯的控制孔内的开口设计成对称。控制腔设置在用法兰安装在阀体两侧上的端盖内。这些控制腔通过控制孔与一先导伺服阀相连接。通过向端部控制腔内的两个端面施加压力，平衡的主控制阀芯被液压驱动。

目前，众所周知的先导控制四通伺服阀有一个弹簧对中的平衡位置。在大多数情况下，主控制阀芯通过两个安装在端部控制腔内的彼此相互作用的反向回复弹簧定位于中心位置。然而，如何通过单个弹簧定中心也是熟知的。单个弹簧被夹在端部弹簧腔内的两个弹簧座之间。

德国曼内斯曼。力士乐股份有限公司(Mannesmann Rexroth GmbH,DE-8770 Lohr am Main)出版的书“液压培训手册第二册”(“液压培训手册第二卷”)(Der Hydraulic Trainer 2nd Volume)1989年第三版本的第31页第33图描述了带有这种一侧弹簧对中装置的先导控制的四通比例阀。阀的控制腔设置在用法兰安装在阀体的相对侧上的端盖内。文献DE-A-4011908公开了带有一侧对中弹簧且驱动阀芯设置在另一侧的多通阀(五通)。这两种阀都有用来将阀安装在液压体的连接区上的阀体。

带有用以安装在液压体的连接区的阀体的先导控制四通伺服阀占用空间相当多，并且为了作出四个主流口，要求液压体内有复杂的孔。

本发明的主要目的是提供一种先导控制伺服阀，它可以整体地放置在液压体内，节约空间，并且该伺服阀在不需要牺牲其良好动态特性的条件下，仍有一个明确限定的中心位置。

为实现上述目的，本发明提供一种先导控制伺服阀，它包含：

一阀体，它具有：

主控制阀芯的一个导向孔，

在该导向孔内第四主流口和第一主流口之间的第一液压腔，

在该导向孔内第一主流口和第二主流口之间的第二液压腔，

在该导向孔内第二主流口和第三主流口之间的第三液压腔，

在该导向孔内第三主流口和一辅助口腔之间的第四液压腔；

一主控制阀芯，它可在导向孔内沿轴向移动，它具有：

用于控制第一轴向液压腔的通过流量的第一控制边，

用于控制第二轴向液压腔的通过流量的第二控制边，

用于控制第三轴向液压腔的通过流量的第三控制边，

用于控制第四轴向液压腔的通过流量的第四控制边，

主控制阀芯在阀体内限定第一控制腔和第二控制腔，并在第一控制腔内形成第一驱动面，在第二控制腔内形成与第一驱动面沿轴向相对的第二驱动面；

一固定在一个末端弹簧腔内的回复弹簧，它与主控制阀芯连接成在主控制阀芯的两个提升方向上，以其弹力对抗主控制阀芯，并因此确定主控制阀芯的弹簧对中中心位置；

一个先导阀，它与两个控制腔中的至少一个液压连接；

一个用于先导阀的控制器；

一个与主控制阀芯连接的位置传感器，它将主控制阀芯的位置作为反馈信号供给先导阀的控制器；

其特征在于，

阀体包括一阀套，其能沿轴向插入液压体的孔内，并设计成在该孔内限定分别与第一、第二和第三主流口对应的环形开口，

一与第四主流口对应的开口沿轴向设置在阀套的末端，主控制阀芯的第一阀芯端面沿轴向与该开口正对着，

由主控制阀芯的第二阀芯端面形成位于弹簧腔内的压力平衡表面，

卸压通道穿过主控制阀芯，使弹簧腔和第四主流口液压连通，以便压力平衡面受第四主流口内的压力作用，以及

一使该卸压通道与辅助口腔液压连通的横向孔。

根据本发明的先导控制四通伺服阀有一个可直接安装在液压体中的台阶孔中的阀套。该阀套有几个相应于液压体中第一、第二和第三横向工作腔的开口。对应地，第四主流口通向阀套的开口设置在阀套的前端，使第四主流口的末端在阀套的轴向方向上。阀套插入其中的液压体有三个横向孔，分别与第一、第二和第三主流口相对应。但是，对于与第四主流口对应的液压体孔的布置，可以有最大可能的自由度。例如，与第四主流口对应的液压体孔可以沿着阀套的台阶孔轴向延伸的方向布置，而这种方式在以前有两个以上主流口的一般先导控制伺服阀中是不可能的。在液压体中，各个主流口之间所需的搭桥沟通也可以不需要了。因此按照本发明的伺服阀可提供与一般伺服阀相比更为紧凑的控制阀体结构。即使在更为复杂的液压控制系统中，根据本发明的伺服阀可与各种附加的阀(例如两通内装阀)一起放人到液压体中，达到节省空间的目的。直接安装在较大液压缸的缸盖上也是可能的。

本发明的阀的主控制阀芯可在阀套内轴向移动。主控制阀芯的两个端面中的一个在轴向上与第四个轴向工作口相对。主控制阀芯的第二端面形成活塞的压力平衡表面，该表面上产生的静压力作用与在阀套的延伸方向的弹簧腔中的第一活塞端面上的静压力作用是相对的。弹簧腔通过主控制阀芯中的卸压通道与第四主流口液压连接。卸压管也将一个轴向开口腔连接到第四主流口上。回复弹簧固定在弹簧腔内并且通过弹簧座与主控制阀芯相连接，以便在阀芯的两个提升方向上，回复弹簧与控制腔内的液动作用力方向相反，该弹簧力与阀芯行程成比例，并且在控制腔不受压力情况下，可确定主控制阀芯的压力对中中心位置。一个带有控制器的先导阀可以采用液压的方法与两个控制腔相连接。主控制阀芯的位置传感器可以把反馈信号供给先导阀控制器。

在本发明的阀中，主控制阀芯受到的不平衡的静压力负荷可以通过选择主控制阀芯的压力平衡表面适当的尺寸加以补偿。这种静压补偿减小了主控制阀芯所需的驱动力，结果是控制腔内的压力作用表面可以更小。因此，需要的控制油量也小，亦即对同样大小的先导阀，可以获得较短的调节时间。对主控制阀芯的静压补偿也可以毫无问题地使用单向回复弹簧，为主控制阀芯在两个提升方向上进行弹簧对中。结果，保证了在各个提升方向上相同信号产生相同偏移。而且，主控制阀芯的中心位置可以通过主控制阀芯上的回复弹簧的直接机械作用可靠地定位。

伺服阀口最好按如下方式分配：

第一主流口液压上与用户第一排量腔连接，这样形成第一工作口(A)。

第二主流口液压上与一个油箱连接，这样形成一个回油箱口(T)，

第三主流口液压上与用户第二排量腔连接，这样形成第二工作口(B)，

第四主流口液压上与一个泵连接，这样形成一个泵出口(P)。

在这种设计中，泵出口(P)能沿轴向被通入阀套中；回油箱口(T)位于第一和第二工作口之间。然而，在不牺牲本发明伺服阀最重要的优点的条件下，主流口其它的分配方式也是可能的。

一般地，泵是一个液压源，油箱是一个没有明显反压力的容器或导管，用户是一个带有两个排量腔的液压消耗装置(例如旋转或直线驱动装置)。

在伺服阀的优选实施例中，主控制阀芯在具有弹簧对中的中心位置的情况下，控制边具有如下位置：

第一轴向液压腔被第一控制边封闭，

第二轴向液压腔是打开的，

第三轴向液压腔是打开的，

第四轴向液压腔被第四控制边封闭。

因此，当主控制阀芯处于弹簧对中的中心位置时，工作口(A)和(B)就与油箱口(T)连接起来。换句话说，当主控制阀芯处于弹簧对中的中心位置时，一个与它连接的用户的两个排量腔的压力卸载。在这种设计中，主控制阀芯的四个控制边最好是零开口的。其结果是，例如，当阀用于液压缸的位置控制回路中时，可以获得很好的定位精度，当阀用于压力控制时，可获得良好的动态性能。而且，控制边的其它布置方式也是可能的。例如，当主控制阀芯在弹簧对中中心位置时，控制边可将所有的口关闭。

弹簧对中最好按如下方式设计：主控制阀芯在弹簧腔内有一个轴向延伸轴。第一和第二弹簧座可在延伸轴上沿轴向移动。当阀在静止位置时，回复弹簧把第一弹簧座压到主控制阀芯上的止动区上，并把第二弹簧座压到延伸轴的自由端的止动区上。弹簧腔的大小做成在平衡位置时，弹簧腔内的两个弹簧座沿轴向接近。

下面结合附图详细描述本发明的优选实施例，附图中：

图1表示本发明的伺服阀的纵向剖面图；

图2是图1的局部放大图。

在图1中，本发明的伺服阀用标号10代表。阀套12插入液压体16的台阶孔14内。阀套12形成一个轴向导向孔，主控制阀芯18在其中轴向移动。

图中所示的伺服阀10是一个四通伺服阀，它有一个泵口(P)、油箱口(T)、第一工作口(A)和第二工作口(B)。泵口(P)用液压的方法单独地与一个压力管(未示出)相连接。油箱口(T)液压上与一个无压力管(未示出)相连接。工作口(A和B)分别在液压上与液压线性或旋转驱动装置(未示出)的第一和第二排量腔连接。

液压体16内分别相应于油箱口(T)，第一工作口(A)和第工作口(B)的三个液压体孔22、20和24设置成与台阶孔14成90℃角并且其末端在台阶孔14的侧面上。在台阶孔14内，阀套12在对应于液压体孔22、20、24的区域内形成环形开口22′，20′和24′。这些开口22′、20′和24′每个都有几个贯穿阀套12的壁的横向孔25，每个横向孔形成与主控制阀芯18的导向孔的液压连接。对应于泵口(P)的第四体孔26设置在台阶孔14的轴向延伸部分上。阀套12对应于第四体孔26有一个前开口26′。

在阀套12内，第一轴向液压腔28把对应于泵口(P)的前开口26′和对应于工作口(A)的横向开口20′连接起来，第二轴向液压腔30把对应于油箱口(T)的开口22′和对应于工作口(A)的开口20′连接起来，第三轴向液压腔32把对应于油箱口(T)的开口22′和对应于工作口(B)的开口24′连接起来，第四轴向液压腔34把对应于工作口(B)的开口24′和通过主控制阀芯18限定在阀套12中的辅助腔36连接起来。由于环形开口22′、20′、24′的结构，在第二和第三轴向液压腔(30和32)之间的轴向距离远远大于第一和第二(28和30)或第三和第四(32和34)轴向液压腔之间的轴向距离。

主控制阀芯18有第一个同轴阀肩38，它控制工作口(A)，能在第一和第二轴向液压腔28和30内沿轴向移动，主控制阀芯18还有第二阀肩40，它控制工作口(B)，能在第三和第四轴向液压腔32和34之间沿轴向移动。第一阀肩38形成了控制第一液压腔28的第一控制边28′和控制第二液压腔30的第二控制边30′。两个控制边28′和30′均为零开口。第二阀肩40形成控制第三液压腔32的第三控制边32′和控制第四液压腔34的第四控制边34′。这两个控制边32′和34′也均为零开口。辅助口腔36形成了一个环绕阀套内的主控制阀芯18的环形封闭空间。它沿轴向方向一端由阀肩40密封，另一端由阀肩42密封。

辅助口腔36借助于一穿过主控制阀芯18的轴向孔44和一横向孔46与泵口(P)相连接。因此，主控制阀芯可以有选择地借助于同轴阀肩38把第一工作口(A)与泵口(P)连接或借助于同轴阀肩40把第二工作口(B)与油箱口(T)连接起来，相应的液压液体的通过流量由四个控制边28′、30′、32′、34′调节。

阀芯端面48上的压力向主控制阀芯18施加了一个不平衡的静压力负荷。为了平衡主控制阀芯上的静压作用力，同轴向孔44延伸到主控制阀芯的另一端，其末端通过阀芯横向孔50终止在压力平衡腔或弹簧腔52内。下面参照图1中局部的放大图图2，详细描述阀的上部。

弹簧腔52设置在阀套12轴向延伸方向上的阀盖54内。阀盖54安装在液压体16上，并将阀套12固定在台阶孔14内。主控制阀芯18的第二末端沿轴向被衬套56密封，并且与弹簧腔52相通，形成一个压力平衡突起部分58。后者在压力平衡腔52内有一压力平衡表面60，它在静压力上与阀芯的第一端面48相对。压力平衡表面60与阀芯端部表面48面积相等，以便使得泵压力与全部静压力平衡。

通过向附着在主控制阀芯18上的同轴驱动阀肩62的环形的第一或第二驱动表面64、66施加合适的压力可驱动主控制阀芯18。在阀套内的阀肩42和驱动表面64之间形成第一环形控制腔68，在密封衬套56和驱动表面66之间形成第二环形控制腔70。第一控制腔68通过阀盖54内的控制口72和一个用凸缘安装的四通先导控制伺服阀76的工作口(A′)相连接，第二控制腔70通过阀盖54内的控制口74和工作口(B′)相连接。驱动表面64和66的尺寸选择成使得在控制边28′、32′或30′、34′溢流的时候产生的液动力可以可靠地克服。结果是，控制油量是十分的少，并且平衡调节时间也是非常的短。

在弹簧腔52内，回复弹簧沿轴向夹持在第一和第二弹簧座80和82之间。延伸轴84与主控制阀芯18的第二端牢固地连接。弹簧座80和82可在轴84上沿轴向移动。轴84在它的自由端有一个对应于第二弹簧座82的轴向止动面86。阀芯的第二端面60形成了一个对应于第一弹簧座80的轴向止动面。在图2中，回复弹簧78把第一弹簧座80压到止动面60上，把第二弹簧座82压到止动面86上。在这个位置，第一弹簧座80也和密封衬套56处的壳体接触，第二弹簧座82与轴向相对着的阀盖54的止动表面88处的壳体接触。因此，两弹簧座80和82都与壳体接触，并且主控制阀芯18通过在两个弹簧座80和82之间的延伸轴84被固定住，主控制阀芯受到回复弹簧沿两相反方向的弹性力作用。换句话说，主控制阀芯处于弹簧对中的平衡位置，这也被称作中心位置。

如果通过给第一控制腔68施加压力，主控制阀芯18从它的中心位置向弹簧腔52移动时，回复弹簧78受到弹簧腔52中紧靠在主控制阀芯18端部60上的第一弹簧座80的压缩。这样，回复弹簧就向主控制阀芯18上产生一个弹性力，以对抗这样的运动，并且力的量值是与主控制阀芯18的行程成比例的。如果通过给第二控制腔70施加压力，主控制阀芯18从它的中心位置向泵口26运动时，延伸轴84在第二弹簧座产生一个拉力，结果回复弹簧78在弹簧腔52中被第二弹簧座82压缩。弹性力阻碍主控制阀芯18运动，并且力的量值是与主控制阀芯18的行程成比例的。使用在两个提升方向象一压缩弹簧一样动作的单个回复弹簧78，可以确保主控制阀芯18在两个方向上都具有同样的回复力。

从图2中的局部剖面可以看出，延伸轴84用螺纹拧到主控制阀芯内并用一销90固定。阀芯的轴向孔44在延伸轴84中延伸到横向孔46。另一个横向孔92位于主控制阀芯18的端部表面60的上面。第二个横向孔92的目的在于确保弹簧座80上下的压力平衡。至于第二弹簧座82，其压力平衡是通过弹簧座82上的孔94实现的。

如图1所示，通过位置传感器96，主控制阀芯形成一个闭环的位置控制回路。位置传感器96的轴98与主控制阀芯的延伸轴84机械连接。位置传感器96的输出信号(对应于控制活塞18的位置)与控制放大器100中的要求值(S)相比较，先导阀76的运动与确定的要求值和实际值之间的差别成比例。先导阀76调节主控制级的控制腔68和70中的控制油的压力，并克服回复弹簧78的影响，使阀芯行程固定，这样，一个闭环的电液控制回路形成了。

图1也表示了在弹簧对中的平衡或中心位置时的主控制阀芯18。控制边28′,30′,32′,34′在主控制阀芯18上是这样布置的，即当阀芯在中心位置时：

第一控制边28′封闭泵口(P)和工作口(A)之间的第一液压腔28；

第二控制边30′打开油箱口(T)和工作口(A)之间的第二液压腔30；

第三控制边32′打开油箱口(T)和工作口(B)之间的第三液压腔32；

第四控制边34′封闭工作口(B)和辅助口腔36之间的第四液压腔，因此，工作口(B)和泵口(P)之间不可能通过阀芯的轴向孔44连通。

因此，在弹簧对中的中心位置，工作口(A)和(B)向油箱卸载，没有压力。如果主控制阀芯18从中心位置向泵口(P)移动，工作口(A)保持向油箱卸载状态，而工作口(B)通过辅助口腔36和阀芯的轴向孔44与泵口(P)液压连接。如果，相反地，主控制阀芯18从中心位置向弹簧腔52移动，工作口(B)保持向油箱排油状态。而且工作口(A)通过第二控制边30′对油箱封闭，并通过第一控制边28′与泵口(P)液压连通。如果没有控制压力，主控制阀芯18位于它的弹簧对中的中心位置，这时，两个工作口(A和B)如上所述都向油箱卸载。

Claims (7)

1．一种带有四个主流口的先导控制伺服阀，它包含：

一阀体(12,54)，它具有：

主控制阀芯(18)的一个导向孔，

在该导向孔内第四主流口和第一主流口之间的第一液压腔(28)，

在该导向孔内第一主流口和第二主流口之间的第二液压腔(30)，

在该导向孔内第二主流口和第三主流口之间的第三液压腔(32)，

在该导向孔内第三主流口和一辅助口腔之间的第四液压腔(34)；

一主控制阀芯(18)，它可在导向孔内沿轴向移动，它具有：

用于控制第一轴向液压腔(28)的通过流量的第一控制边(28′)，

用于控制第二轴向液压腔(30)的通过流量的第二控制边(30′)，

用于控制第三轴向液压腔(32)的通过流量的第三控制边(32′)，

用于控制第四轴向液压腔(34)的通过流量的第四控制边(34′)，

主控制阀芯(18)在阀体内限定第一控制腔和第二控制腔(68,70)，并在第一控制腔(68)内形成第一驱动面(64)，在第二控制腔(70)内形成与第一驱动面(64)沿轴向相对的第二驱动面(66)；

一固定在一个末端弹簧腔(52)内的回复弹簧(78)，它与主控制阀芯(18)连接成在主控制阀芯(18)的两个提升方向上，以其弹力对抗主控制阀芯(18)，并因此确定主控制阀芯(18)的弹簧对中中心位置；

一个先导阀(76)，它与两个控制腔(68,70)中的至少一个液压连接；

一个用于先导阀(76)的控制器(100)；

一个与主控制阀芯(18)连接的位置传感器(96)，它将主控制阀芯(18)的位置作为反馈信号供给先导阀(76)的控制器(100)；

其特征在于，

阀体包括一阀套(12)，其能沿轴向插入液压体(16)的孔(14)内，并设计成在该孔(14)内限定分别与第一、第二和第三主流口对应的环形开口(20′,22′,24′)，

一与第四主流口对应的开口(26′)沿轴向设置在阀套(12)的末端，主控制阀芯(18)的第一阀芯端面沿轴向与该开口(26′)正对着，

由主控制阀芯(18)的第二阀芯端面形成位于弹簧腔(52)内的压力平衡表面(60)，

卸压通道(44)穿过主控制阀芯(18)，使弹簧腔(52)和第四主流口液压连通，以便压力平衡面(60)受第四主流口内的压力作用，以及

一使该卸压通道与辅助口腔(36)液压连通的横向孔(46)。

2．如权利要求1所述的阀，其特征在于，

第一主流口形成第一工作口(A)，

第二主流口形成一油箱口(T)，

第三主流口形成第二工作口(B)，以及

第四主流口形成一泵口(P)。

3．如权利要求1所述的阀，其特征在于，控制边设置成当主控制阀芯(18)处于弹簧对中中心位置时，它们处于下述位置：

第一轴向液压腔(28)由第一控制边(28′)封闭，

第二轴向液压腔(30)打开，

第三轴向液压腔(32)打开，以及

第四轴向液压腔(34)由第四控制边(34′)封闭。

4．如权利要求1至3中任何一项权利要求所述的阀，其特征在于，第一和第二驱动表面(64,66)是环形面。

5．如权利要求1至4中任何一项权利要求所述的阀，其特征在于，它还具有：

一根位于弹簧腔(52)内的主控制阀芯(18)的轴向延伸轴(84)，

第一和第二弹簧座(80,82)，其在延伸轴(84)上可沿轴向移动，

用于第一弹簧座(80)的主控制阀芯上的一轴向止动面(60)，

用于第二弹簧座(82)的延伸轴(84)上的一轴向止动面(86)，

回复弹簧(78)，当阀处于平衡位置时，该弹簧对两弹簧座(80,82)施加作用力，使两弹簧座分别靠在它们相应的止动表面(60,86)上，以及

弹簧腔(52)的大小允许在平衡位置时，两弹簧座(80,82)在弹簧腔内沿轴向接近。

6．如权利要求5所述的阀，其特征在于，卸压通道(44)作为轴向孔通向延伸轴(84)，并且其末端通过第一横向孔(50)而位于弹簧腔(52)内。

7．如权利要求6所述的阀，其特征在于，延伸轴(84)有紧邻第一弹簧座(80)的第一止动表面(60)的第二横向孔(92)。

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