-
Die
Erfindung betrifft ein pilotgesteuertes Ventil mit einem Ventilelement,
das einen Öffnungsquerschnitt
mindestens eines Strömungspfades
verändert,
und einem als Klappenventil ausgebildeten Pilotventil, das einen
Druck in einer Pilotdruckkammer beeinflußt, der auf das Ventilelement
wirkt, und das eine mit dem Ventilelement verbundene Feder und eine
Ventilplatte aufweist, die mit einem Pilotventilsitz zusammenwirkt.
-
Ein
derartiges Ventil ist beispielsweise aus
US 3 537 467 A bekannt. Im
bekannten Fall bildet die Ventilplatte zusammen mit dem Ventilsitz
eine veränderbare
Drossel. Die Drossel mündet
in die Pilotdruckkammer. Die Pilotdruckkammer weist eine Ausgangsdrossel
auf. Der Druck in der Pilotdruckkammer wirkt auf ein Ventilelement,
das als Ventilschieber ausgebildet ist und je nach seiner Stellung
einen Strömungspfad
zwischen einem Druckanschluß und
einem von zwei Arbeitsanschlüssen
einerseits und vom anderen Arbeitsanschluß zu einem Tankanschluß einrichtet.
Wenn der Ventilschieber in der Neutralstellung steht, dann sind
der Druckanschluß und
der Tankanschluß von
den Arbeitsanschlüssen
getrennt. Die Ventilplatte wird durch einen Elektromagneten angezogen,
der den Ventilsitz umgibt. Eine feinfühlige Steuerung des Drucks
in der Pilotdruckkammer ist schwierig.
-
EP 0 400 504 A1 zeigt
ein Magnetventil, insbesondere für
pneumatische Schaltungen, bei dem in einem Gehäuse, das einen Einlaßanschluß und einen
Anschlußanschluß aufweist,
ein Elektromagnet angeordnet ist, der auf eine Ventilplatte wirkt.
An der Ventilplatte ist ein Ventilelement befestigt, das mit einem
Ventilsitz zusammenwirkt. Der Elektromagnet ist seitlich etwas zum
Auslaß versetzt
und zwar zu einer Aufhängung
der Ventilplatte hin.
-
DE 297 18 306 U1 zeigt
ein Piezoventil mit einem Piezoelement. Das Piezoelement ist über ein
Kopplungselement mit einer Lamelle aus magnetisierbarem Material
verbunden. Das freie Ende der Lamelle ragt zwischen die beiden Schenkel
eines magnetischen Polschuhs hinein. Wenn das Piezoelement mit Spannung beaufschlagt
wird, wird auch der Polschuh magnetisiert, so daß die Lamelle gemeinsam mit
dem Piezoelement bewegt wird. An der Lamelle ist ein Dichtungselement
gefestigt, das in Abhängigkeit
von der Auslenkung der Lamelle mit einem von zwei Ventilsitzen zusammenwirkt.
Die Lamelle ist hierbei an einem Auflager drehbar befestigt, das
auf der den Ventilsitzen gegenüberliegenden
Seite angeordnet ist, bezogen auf den Polschuh.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes pilotgesteuertes
Ventil zu erhalten.
-
Diese
Aufgabe wird bei einem pilotgesteuerten Ventil der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß ein
Antrieb in einer vorbestimmten Entfernung vom Pilotventilsitz an
der Ventilplatte angreift und die Feder die Ventilplatte in Schließrichtung
belastet.
-
Ein
derartiges Ventil ist zunächst
einmal relativ einfach aufgebaut. Man hat große Freiheiten bei der Gestaltung,
weil es nicht mehr erforderlich ist, daß der Antrieb im Bereich des
Ventilsitzes angeordnet ist. Die Verlagerung des Antriebs vom Ventilsitz
weg hat aber einen weiteren Vorteil: Man erhält auf einfache Weise eine
sehr viel feinfühligere
Steuerung der Drossel, die zwischen dem Ventilsitz und der Ventilplatte
gebildet ist. Dabei macht man sich ein Hebel-Übersetzungsverhältnis zu
nutze. Je stärker
das Ventilelement die Feder komprimiert und damit die Ventilplatte
in Schließrichtung
beaufschlagt, desto größer wird
der Widerstand der Drossel, die durch die Ventilplatte und den Pilotventilsitz
gebildet wird. Je größer dieser
Drosselwiderstand ist, desto größer wird
der Druck in der Pilotdruckkammer, der dementsprechend das Ventilelement
wieder in die entgegengesetzte Richtung bewegt, also in Richtung
auf eine verminderte Belastung der Feder. Auf diese Weise bildet
sich ein selbsttätiger
Regelkreis, der zu einer relativ genauen Einstellung des Ventilelements
und damit zu einer entsprechend genauen Einstellung des freien Durchflußquerschnitts
durch das Ventil führt.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß die
vorbestimmte Entfernung größer ist
als ein Abstand zwischen dem Pilotventilsitz und einer Aufhängung der
Ventilplatte. Die Bewegung des Antriebs wird dann entsprechend dem Verhältnis zwischen
dem Abstand und der Entfernung übersetzt
in ein Abheben der Ventilplatte vom Ventilsitz oder ein Annähern der
Ventilplatte an den Ventilsitz. Man kann also mit einem Antrieb
arbeiten, der eine vergleichsweise große Auflösung hat und dennoch eine sehr
feinfühlige
Steuerung des Pilotventils erreichen.
-
Dies
gilt insbesondere dann, wenn die vorbestimmte Entfernung mindestens
doppelt so groß wie
der Abstand ist. Wenn die Entfernung doppelt so groß wie der
Abstand ist, dann bewegt sich die Ventilplatte im Bereich des Ventilsitzes
nur halb so weit wie der Antrieb. Je größer das Verhältnis zwischen
der Entfernung und dem Abstand ist, desto besser wird das Verhältnis.
-
Vorzugsweise
wirkt der Antrieb über
einen Stößel auf
die Ventilplatte. Man hat weiter größere Freiheiten, die einzelnen
Elemente des Ventils anzuordnen. Es ist nicht länger erforderlich, daß der Antrieb
unmittelbar mit der Ventilplatte zusammenwirkt. Er kann auch in
einer gewissen Entfernung von der Ventilplatte angeordnet sein.
-
Vorzugsweise
greift die Feder zwischen dem Pilotventilsitz und dem Antrieb an
der Ventilplatte an. Die Feder bildet eine mechanische Rückwirkung
zwischen dem Ventilelement und der Ventilplatte. Die Verwendung
einer Feder als mechanische Rückwirkung
zwischen dem Ventilelement und der Ventilplatte ist zwar grundsätzlich aus der
eingangs genannten
US
3 537 467 A bekannt. Im vorliegenden Fall ist der Angriffsort der
Feder an der Ventilplatte aber günstiger
gewählt.
Der Antrieb wirkt quasi über
einen Hebel auf die Feder, wobei der Hebel durch die Ventilplatte
gebildet ist. Dementsprechend kann der Antrieb feinfühliger angesteuert werden.
-
Vorzugsweise öffnet der
Pilotventilsitz zum Tank hin. Damit ist die veränderbare Drossel, die durch
die Ventilplatte und den Pilotventilsitz gebildet wird, sozusagen
die letzte Drossel vor der Stufe mit dem niedrigsten Druck. Die
Belastungen auf die Ventilplatte und den Antrieb können dadurch
klein gehalten werden.
-
Vorzugsweise
steht die Pilotdruckkammer über
eine Drossel mit einem Steuerdruckanschluß in Verbindung. Über den
Steuerdruckanschluß wird
laufend Fluid, also eine Flüssigkeit
oder ein Gas, nachgeführt, um
den Druck in der Pilotdruckkammer zu steuern. Der Steuerdruckanschluß kann beispielsweise
eine Eingangsdrossel aufwei sen, so daß in der Pilotdruckkammer nur
ein verminderter Druck ansteht.
-
Vorzugsweise
wirkt das Ventilelement mit einem Ventilsitz zusammen. Damit handelt
es sich um ein Sitzventil. Ein Sitzventil hat den Vorteil, daß es dicht
gemacht werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
das Ventil zur Steuerung von Wasser in einer wasserhydraulischen
Einrichtung verwendet werden soll.
-
Vorzugsweise
weist das Ventilelement eine Nase auf, die durch den Ventilsitz
hindurch ragt. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen wird das Ventilelement
bei seiner Bewegung stabilisiert und zwar auch dann, wenn es vom
Ventilsitz abgehoben hat. Zum anderen läßt sich dadurch ein relativ
kleiner Strömungsquerschnitt
steuern, der beim Abheben des Ventilelements vom Ventilsitz freigegeben
wird. Das Ventil ist also in der Lage, auch relativ kleine Fluidmengen
zu steuern.
-
Vorzugsweise
ist von den Elementen Ventilelement und Ventilsitz mindestens eines
zumindest an seiner Oberfläche
aus einem Kunststoff gebildet. Diese Ausgestaltung hat vor allem
dann Vorteile, wenn das Ventil zur Steuerung von Wasser als Hydraulikflüssigkeit
verwendet wird. Man verhindert durch die Verwendung von Kunststoff
eine Korrosion.
-
Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß das
Ventilelement aus einem Kunststoff gebildet ist. Ein Kunststoff
ist in der Regel leichter als ein Metall, d.h. er weist eine geringere
Masse auf. Bei einer geringeren Masse lassen sich bei ansonsten
gleichen Kräften
höhere
Be schleunigungen erzielen, so daß das Ventil schneller auf Belastungsänderungen
reagiert und auch schneller ausgeregelt werden kann.
-
Vorzugsweise
ist der Antrieb als Elektromagnet mit proportionaler Kennlinie ausgebildet.
Das Ventil läßt sich
dann praktisch als Proportionalventil verwenden.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines pilotgesteuerten Ventils,
-
2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
verschiedener Größen und
-
3 einen
schematischen Längsschnitt
durch ein pilotgesteuertes Ventil.
-
Ein
pilotgesteuertes Ventil 1, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Sitzventil ausgebildet ist, weist einen Einlaß 2 und
einen Auslaß 3 auf.
Zwischen dem Einlaß 2 und
dem Auslaß 3 ist
ein Ventilsitz 4 angeordnet. Ein Ventilelement 5 wirkt
mit dem Ventilsitz 4 zusammen, d.h. das Ventilelement 5 kann,
wie dargestellt, am Ventilsitz 4 zur Anlage kommen und
das Ventil 1 verschließen.
Das Ventilelement 5 kann jedoch auch vom Ventilsitz 4 abgehoben
werden und dann einen Strömungspfad
zwischen dem Einlaß 2 und
dem Auslaß 3 mehr
oder weniger freigeben.
-
Das
Ventilelement 5 ist in einer Führung 6 geführt. Aus
Gründen
der Übersicht
ist das Ventilelement 5 hier mit einem umfänglichen
Abstand zur Führung 6 dargestellt.
Dieser Abstand ist in Wirklichkeit jedoch nicht vorhanden.
-
Auf
das Ventilelement 5 wirkt in Öffnungsrichtung der Druck im
Einlaß 2.
Dieser Druck wirkt im geschlossenen Zustand des Ventils 1 auf
die gesamte Querschnittsfläche
des Ventilelements 5 mit Ausnahme der Fläche, die
vom Ventilsitz 4 umgrenzt ist.
-
In
Schließrichtung
wirkt auf das Ventilelement 5 zunächst die Kraft einer Feder 7,
die im vorliegenden Fall als Druckfeder ausgebildet ist. Zum anderen
wirkt auf das Ventilelement 5 in Schließrichtung ein Druck in einer
Pilotdruckkammer 8.
-
Die
Pilotdruckkammer 8 weist einen Steuerdruckeingang 9 auf,
dem eine Drossel 10 nachgeschaltet ist. Der Steuerdruckeingang 9 kann,
falls erforderlich, auch mit dem Einlaß 2 in Verbindung
stehen. Die Drossel 10 kann dann gegebenenfalls auch in
oder mit dem Ventilelement 5 ausgebildet sein. Aus Gründen der Übersicht
und zum besseren Verständnis
ist die Drossel 10 hier jedoch als eigenes Bauelement dargestellt.
-
Die
Pilotdruckkammer 8 weist einen Ausgang 11 auf,
der über
einen Pilotventilsitz 12 in die Pilotdruckkammer 8 mündet. Der
Ausgang 11 ist über
eine nur schematisch dargestellte Leitung 13 mit einem
Tank 14 verbunden.
-
Mit
dem Pilotventilsitz 12 wirkt eine Ventilplatte 15 zusammen.
Die Ventilplatte 15 ist an einer Aufhängung 16 aufgehängt. Die
Aufhängung 16 hat
einen vorbestimmten Abstand zum Pilotventilsitz 12.
-
Auf
die Ventilplatte 15 wirkt ein Antrieb 17, der
einen Elektromagneten 18 und einen Stößel 19 aufweist. Wenn
die Ventilplatte 15 mit einem Ende an der Aufhängung 16 befestigt
ist, dann greift der Stößel 19 am
anderen Ende an der Ventilplatte 15 an.
-
Die
Ventilplatte 15 bildet mit dem Ventilsitz 12 zusammen
ein Klappenventil. Funktionell bildet das Klappenventil ein Pilotventil
für das
Ventil 1, wie nachfolgend erläutert wird.
-
Die
Feder 7 stützt
sich an der Ventilplatte 15 ab und zwar an einer Position,
die sich zwischen dem Pilotventilsitz 12 und dem Stößel 19 befindet,
allerdings auf der dem Stößel 19 gegenüberliegenden
Seite der Ventilplatte 15.
-
Der
Elektromagnet 18 ist als proportionaler Magnet ausgebildet,
d.h. der Stößel 19 wird
um einen Betrag verschoben, der direkt proportional zu einem angelegten
Strom oder einer angelegten Spannung ist. Damit läßt sich über den
Strom, der auf den Elektromagneten 18 wirkt, sehr genau
der Öffnungsgrad
des Pilotventils einstellen, also der Abstand zwischen der Ventilplatte 15 und
dem Pilotventilsitz 12.
-
Das
Ventil 1 arbeitet nun wie folgt:
Wenn das Pilotventil
geschlossen ist, dann liegt die Ventilplatte 15 am Pilotventilsitz 12 an.
In der Pilotdruckkammer 8 herrscht der Druck vor der Drossel 10,
also am Steuerdruckeingang 9. Das Ventilelement 5 wird
unter der Kraft der Feder 7 und unter der Wirkung des Drucks
in der Pilotdruckkammer 8 gegen den Ventilsitz 4 gedrückt und
die Verbindung zwischen dem Einlaß 2 und dem Auslaß 3 wird
unterbrochen.
-
Wenn
jetzt der Elektromagnet 18 betätigt wird und der Stößel 19 die
Ventilplatte 15 vom Pilotventilsitz 12 abhebt,
dann strömt
durch die zwischen dem Pilotventilsitz 12 und der Ventilplatte 15 gebildete
Drosselstelle Fluid aus der Pilotdruckkammer 8 ab, so daß der Druck
in der Pilotdruckkammer 8 absinkt. Wenn die Summe der Kräfte, die
von der Feder 7 einerseits und vom Druck in der Pilotdruckkammer 8 andererseits
erzeugt werden, kleiner ist als die Kraft, die durch den Druck im
Einlaß 2 auf
die auslaßseitige
Stirnseite des Ventilelements 5 wirkt, dann wird das Ventilelement 5 vom
Ventilsitz 4 abgehoben und es entsteht ein Strömungspfad
zwischen dem Einlaß 2 und
dem Auslaß 3.
Gleichzeitig wird die Feder 7 komprimiert und erzeugt dadurch
eine höhere
Kraft auf die Ventilplatte 15, die dadurch den Pilotventilsitz 12 etwas
stärker
schließt,
also den Abfluß aus
der Pilotdruckkammer 8 etwas drosselt. Die sich dadurch
ergebende Druckerhöhung
in der Pilotdruckkammer 8 führt zu einer Annäherung des
Ventilelements 5 an den Ventilsitz 4 und damit
einem Nachlassen der Wirkung der Kraft der Feder 7 auf
die Ventilplatte 15. Es ergibt sich also eine mechanische
Rückwirkung
vom Ventilelement 5 auf die Ventilplatte 15, die
relativ schnell zu einem mechanisch stabilen Zustand führt. Das Ventilelement 5 gibt
einen Strömungsquerschnitt
frei, der zu dem Strömungsquerschnitt
zwischen dem Pilotventilsitz 12 und der Ventilplatte 15 proportional
ist. Damit ist die Strömung
zwischen Einlaß 2 und
Auslaß 3 auch
proportional zu dem Strom, mit dem der Elektromagnet 18 versorgt
wird.
-
Dadurch,
daß der
Stößel
19 des
Antriebs
17 auf der dem Pilotventilsitz
12 gegenüberliegenden
Seite der Aufhängung
16 an
der Ventilplatte
15 angreift, läßt sich eine sehr feinfühlige Einstellung
des Pilotventils und damit des Ventils
1 insgesamt erreichen.
Dies soll anhand von
2 näher erläutert werden. Wenn man mit
den dort eingezeichneten Größen die
Momente um die Aufhängung
16 (F)
bestimmt, ergibt sich folgendes:
-
Wenn
r
f = 7,75
r
m =
5,0
r
j = 6,0 dann
-
Unter
der Annahme, daß
F
mmax = 50[N]
F
mmin =
10[N]
Pilotventilsitz ⌀ =
1,5 mm
max. Pilotdruckkammer – Druck = 140 bar
-
Wenn
die Ventilplatte
15 bei t abhebt und die Federkonstante
der Feder
7 = C, dann
-
Aus
der obigen Herleitung ist ersichtlich, daß man durch eine Veränderung
der wirksamen Druckangriffsfläche
des Drucks aus dem Tank 14 auch die Kräfte verändern kann, bei denen die Ventilplatte 15 abhebt. Beispielsweise
kann man einen Bereich um den Pilotventilsitz 12 zum Tank
hin entlasten und damit den Durchmesser des Pilotventilsitzes 12 künstlich
vergrößern.
-
Man
kann auch den Angriffsort der Feder 7 verändern. Prinzipiell
kann die Feder an einer willkürlichen Stelle
zwischen der Aufhängung 16 und
dem Antrieb 19 an der Ventilplatte 15 angreifen.
Man kann durch einfache Berechnungen den optimalen Wert ermitteln.
-
In 3 ist
ein schematischer Längsschnitt
durch das Ventil 1 dargestellt, bei dem die Feder 7,
Dichtungen und O-Ringe nicht eingezeichnet sind. Gleiche Teile sind
mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen.
-
Zusätzlich ist
erkennbar, daß das
Ventilelement 5 in einer Buchse 20 geführt ist,
die letztendlich die Führung 6 bildet.
Darüber
hinaus weist das Ventilelement 5 eine Nase 21 auf,
die den Ventilsitz 4 durchragt. Der Übergang zwischen dem Ventilelement 5 und
der Nase 21 erfolgt in Form eines Konus 22, so
daß man eine
sehr feinfühlige
Steuerung des Durchflusses zwischen dem Einlaß 2 und dem Auslaß 3 erreichen
kann.
-
In
nicht näher
dargestellter Weise ist der Kolben 5 in der Buchse 20 mit
einer Dichtung abgedichtet, beispielsweise einem Teflon-Ring. Da
der Druck in der Pilotdruckkammer 8 sehr hoch sein kann,
wobei er durchaus in die Größenordnung
des am Einlaß 2 anstehenden
Druckes kommen kann, ist es zweckmäßig, Einlaß 2 und Auslaß 3 im
Hinblick auf den Kolben 5 so anzuordnen, wie dies in den 1 und 3 dargestellt ist,
d.h. der Kolben 5 wird vom höheren Druck auf der Seite des
Ventilsitzes 4 beaufschlagt, an der auch der Pilotdruck
in der Pilotdruckkammer 8 wirkt. In diesem Fall ist die
auf den Dichtring wirkende Druckdifferenz geringer, als wenn man
die Anschlüsse 2 und 3 vertauscht.
-
Es
ist auch zweckmäßig, die
Ventilplatte 15 als Kreisscheibe auszubilden, deren Durchmesser
dem Innendurchmesser der Buchse 20 entspricht. Eine Kreisscheibe
läßt sich
sehr einfach herstellen und muß in der
Buchse 20 nicht fixiert werden, weil sie selbstaufrichtend
ist und durch die Kraft der Feder 7 festgehalten wird.
Die Ventilplatte 15 ist dann derart ausgebildet, daß sie auf
der einen Seite selbstaufrichtend ist und auf der anderen Seite
keine zusätzliche
Reibung verursacht, wenn sie gekippt wird, d.h. vom Pilotventilsitz 12 abhebt.
-
Man
kann die Drossel 10 auch ersetzen durch ein getaktetes
Ventil oder eine andere Einrichtung, die den Druck in der Pilotdruckkammer 8 auf
einen geringeren Wert einstellt als den Druck am Steuerdruckanschluß 9.
-
Das
Ventilelement 5 kann aus Kunststoff gebildet sein. Der
Kunststoff des Ventilelements 5 arbeitet vorzugsweise reibungsarm
mit dem Metall oder dem Kunststoff der Führung 6 zusammen,
so daß das
Ventil 1 auch zur Steuerung von Wasser in einer wasserhydraulischen
Einrichtung verwendet werden kann. Natürlich ist es auch möglich, den
Ventilsitz 4 aus einem Kunststoff zu bilden. Selbstverständlich kann
auch die Ventilplatte 15, der Stößel 19 und der Pilotventilsitz 12 aus
einem Kunststoff gebildet werden, wenn man Wasser als hydraulisches
Medium verwendet.
