-
Die
Erfindung betrifft ein Ventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Bekannte
hydraulische Ventile in Schieberbauweise haben in der Regel einen
hydraulisch, elektromotorisch oder elektromagnetisch verstellbaren Ventilschieber.
-
Die
elektromotorisch betriebenen Ventile weisen neben einem Elektromotor
häufig
noch ein mechanisches Getriebe zur Erzeugung großer Hubkräfte und langer Ventilschieberhübe auf.
Nachteilig an dieser Lösung
ist deren schlechte Dynamik und das große Bauvolumen.
-
Die
elektromagnetisch betriebenen Ventile haben einen Elektromagneten,
dem zur Erzeugung großer
Hubkräfte
und langer Ventilschieberhübe meist
ein hydraulischer Kraft- oder
Wegverstärker
zugeordnet ist. An dieser Lösung
ist nachteilig, dass der Kraft- oder Wegverstärker aufwendig zu fertigen
und anzusteuern ist.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ventil in Schieberbauweise zu schaffen,
das bei hoher Dynamik und kompakter Bauweise große Hubkräfte und lange Hübe ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Ventil mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1.
-
Das
erfindungsgemäße Ventil
hat einen Spindeltrieb, der mittels einer elektrischen Hubeinrichtung
auf einen Ventilschieber wirkt. Erfindungsgemäß wirkt die Anordnung Spindeltrieb – Hubeinrichtung
derart auf den Ventilschie ber, dass sich ähnlich einem inch-worm Antrieb,
wie er z.B. aus der
US 6,300,692
B1 bekannt ist, durch eine Addition einer Vielzahl von
kurzen Teilhüben
ein langer Gesamthub ergibt. Dies wird dadurch erreicht, dass die
Hubeinrichtung pulsierend ansteuerbar ist, wobei die Hubeinrichtung
um einen Teilhub verschoben und während eines Rückhubs der
Spindeltrieb nachstellbar ist. Dabei wird über die an dem Spindeltrieb
abgestützte
Hubeinrichtung die Hubkraft aufgebracht und über den Spindeltrieb lediglich
nachgestellt, so dass dieser relativ schwach ausgelegt werden kann.
-
Durch
die Addition einzelner, insbesondere gleich großer, Teilhübe zu einem Gesamthub sind lange
Verstellwege bzw. Hübe
des Ventilschiebers bei großer
Hubkraft ohne die Verwendung eines mechanischen Getriebes oder eines
hydraulischen Kraft- oder Wegverstärkers realisierbar, so dass
das erfindungsgemäße Ventil
eine hohe Dynamik und ein verhältnismäßig kleines
Bauvolumen aufweist.
-
Bevorzugterweise
ist der Spindeltrieb an einem Außengehäuse abgestützt, in dem die Hubeinrichtung
axial verschiebbar aufgenommen ist.
-
Der
Spindeltrieb kann als ein Elektromotor ausgeführt sein, dessen Läufer die
Spindelmutter bildet. Es ist jedoch auch möglich, in kinematischer Umkehr
die Spindel anzutreiben und die Spindelmutter auf der Spindel in
axialer Richtung zu verschieben.
-
Die
Hubeinrichtung ist hubmagnetartig ausgebildet und weist ein Hubgehäuse mit
einem in einem Innenraum axial verschiebbar angeordneten Hubkörper auf.
Das axiale Spiel zwischen dem Hubkörper und dem Hubgehäuse definiert
dabei einen maximalen Arbeitsluftspalt. Der Hubkörper ist wahlweise nur an der
Spindel, nur an dem Ventilschieber oder an beiden befestigt.
-
Bei
einer Ausführungsform
hat das Hubgehäuse
zwei Endstücke,
die den Innenraum axial begrenzen und in denen stirnseitig zwei
gegenpolige Spulen aufgenommen sind. Alternativ können die Spulen
auch in dem Hubkörper
angeordnet sein.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
ist als Hubgehäuse
ein Spulenkörper
mit einer Spule vorgesehen, wobei der Hubkörper von einem Permanentmagneten
oder einer gegenpolig zur Spule im Spulenkörper bestromten Spule gebildet
ist.
-
Bevorzugterweise
ist die Spindelmutter gerade nicht selbsthemmend ausgeführt und
derart angesteuert, dass bei alleiniger Ansteuerung des Spindeltriebs
der Ventilschieber nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit
oder Kraft verfahrbar ist.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist eine Feststelleinrichtung zum Feststellen bzw. Lagefixieren
des Ventilschiebers vorgesehen. Eine bevorzugte Feststelleinrichtung
hat einen, die Hubeinrichtung umgreifenden Federring, der bei nicht
Bestromung der Hubeinrichtung zwischen dem Außengehäuse und der Hubeinrichtung
radial eingeklemmt ist und sich bei Bestromung der Hubeinrichtung
radial zusammenzieht, so dass die Klemmung aufgehoben ist.
-
Sonstige
vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen erläutert. Es
zeigen
-
1 bis 3 verschiedene
Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Ventils
mit einer Hubeinrichtung, dessen Hubkörper an einer Spindel eines
Spindeltriebs befestigt ist,
-
4 bis 6 verschiedene
Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Ventils
mit einer Hubeinrichtung ähnlich
den 1 bis 3, dessen Hubkörper an
einem Ventilschieber befestigt ist,
-
7 und 8 Ausführungsformen,
bei denen die Spindel starr mit dem Ventilschieber verbunden ist,
und
-
9 eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventils
gemäß 3 mit
einer Feststelleinrichtung.
-
1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Antrieb eines hydraulischen Ventils 1, vorzugsweise eines
Wegeventils, das vornehmlich in der Mobilhydraulik eingesetzt wird.
Das Ventil 1 hat einen in einer Bohrung 6 eines
Ventilgehäuses 2 aufgenommen Ventilkörper 4,
der über
das Zusammenwirken eines Spindeltriebs 8 mit einer Hubeinrichtung 10 axial
verschiebbar ist.
-
Der
Spindeltrieb 8 ist stirnseitig über ein Außengehäuse 12 an dem Ventilgehäuse 2 befestigt.
Er hat eine Spindel 14, die sich in das Innere des Außengehäuses 12 erstreckt
und koaxial zum Ventilschieber 4 verläuft. Die Spindel 14 wird über eine nicht
dargestellte, gerade nicht selbsthemmende Spindelmutter, die vorzugsweise
als Läufer
eines Elektromotors 9 ausgeführt ist, axial verschoben.
Der Elektromotor 9 ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor
mit Drehwinkelsensor oder ein Schrittmotor, der über einen Motorflansch 15,
der in eine Öffnung 16 des
Außengehäuses 12 eintaucht,
an diesem zentriert ist. An einem Endabschnitt der Spindel 14 ist
ein tellerartiger Körper
angeordnet, der als Hubkörper 18 der
Hubeinrichtung 10 wirkt.
-
Die
Hubeinrichtung 10 ist axial verschiebbar im Innern des
Außengehäuses 12 angeordnet.
Sie weist ein in radialer Richtung von dem Außengehäuse 12 beabstandetes
Hubgehäuse
mit einem rohrartigen Mantel 20 auf, dessen Stirnseiten
durch zwei axial voneinander beabstandete Endstücke 22, 24 verschlossen
sind. Die Endstücke 22, 24 sind
derart voneinander beabstandet, dass zwischen ihnen ein Innenraum 26 zur
Aufnahme des Hubkörpers 18 mit axialem
Spiel geschaffen ist. Dabei ist in dem in der 1 dargestellten
linken Endstück 22 eine
Durchgangsbohrung 28 für
die Spindel 14 ausgebildet. Das in der 1 dargestellte
rechte Endstück 24 ist
mit dem Ventilschieber 4 verbunden.
-
Das
axiale Spiel des Hubkörpers 18 ergibt sich
aus der Summe des Abstandes 51 zwischen einer Stirnfläche 30 des
Hubkörpers 18 und
einer gegenüberliegenden
Anschlagfläche 32 des
rechten Endstücks 24 und
des Abstandes S2 zwischen einer Ringstirnfläche 34 des Hubkörpers 18 und
einer gegenüberliegenden
Ringanschlagfläche 36 des
linken Endstücks 22.
Diese axiale Spiel bildet den maximalen Arbeitsluftspalt und bestimmt
somit den maximalem Hub der Hubeinrichtung 10.
-
In
der Anschlagfläche 32 bzw.
der Ringanschlagfläche 36 der
Endstücke 22, 24 ist
jeweils eine ringartige Ausnehmung 38, 40 zur
Aufnahme jeweils einer Spule 42, 44 ausgebildet.
Die Spulen 42, 44 sind im Betrieb gegenpolig bestromt.
-
Im
Folgenden erfolgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Funktionsweise:
Zum
Verschieben des Ventilschiebers 4, zum Beispiel in der 1 nach
links, wird der Spindeltrieb 8 derart angesteuert, dass
bei einer Drehung der Spindelmutter die Spindel 14 nach
links bewegbar ist. Der Spindeltrieb 8 ist so ausgelegt,
dass das Drehmoment des Spindeltriebs 8 nicht ausreicht,
um die Spindel 14 entgegen der auf den Ventilschieber 4 wirkenden
Kraft zu verschieben.
-
Die
Hubkraft, die notwendig ist, um den Ventilschieber 4 zu
verschieben, wird von der Hubeinrichtung 10 aufgebracht.
Dabei werden die Spulen 42, 44 gegenpolig derart
bestromt, dass die Hubeinrichtung 10 im Zusammenwirken
mit dem Hubkörper 18 als Hubmagnet
wirkt. Die Hubeinrichtung 10 stützt sich durch das anliegende
Drehmoment des Spindeltriebs 8 und der durch die Reibung
etwas gehemmten Spindelmutter an dem Außengehäuse 12 ab. Bei gegenpoliger
Bestromung der Spulen 42, 44 bildet sich ein Magnetfeld
aus, durch das das rechte Endstück 24 nach
links verschoben und entgegen der auf der Ventilschieber 4 wirkenden
Kraft in Anlage mit dem Hubkörper 18 gebracht
wird. Folglich wird der Ventilschieber 4 um den axialen
Arbeitsluftspalt S1 zwischen dem Hubkörper 18 und dem rechten
Endstück 24 nach
links bewegt. D.h. der Spalt S1 wird auf Null reduziert und der
Spalt S2 wird maximiert.
-
Um
den Ventilschieber 4 jedoch weiter nach links bewegen zu
können,
wird die Polung der Spulen 42, 44 geändert, so
dass sich die Hubrichtung der Hubeinrichtung 10 umkehrt.
Dabei ergibt sich nach dem Umkehrpunkt, d.h. bei einem Rückhub der
Hubeinrichtung 10, für
die Spindelmutter ein "loser
Zustand", in dem
die Spindel 14 entlastet ist. In diesem Zustand kann die
Spindelmutter nachdrehen und die Spindel 14 ebenfalls nach
links bewegen. Entsprechend ist nun der Spalt S2 reduziert und der
Spalt S1 maximiert, so dass die Hubeinrichtung 10 für den nächsten Teilhub
bereit ist.
-
Bei
entsprechend schnell wechselnder Bestromung der Spulen 42, 44 wird
somit ein pulsierender Ventilschieber hub erzeugt, dessen Richtung
von der Richtung des Drehmoments des Spindeltriebs 8 bestimmt
ist. Die einzelnen Teilhübe
der Hubeinrichtung 10 addieren sich zu einem Gesamthub,
wobei die Verbindung Ventilschieber 4 – Spindel 14 bei jedem
Teilhub eine Längenänderung
entsprechend des Arbeitsluftspalts erfährt. Dabei können durch
den kleinen Arbeitsluftspalt hohe magnetische Kräfte und somit hohe Hubkräfte aufgebracht
werden. Da der Spindeltrieb 8 nur zum Nachdrehen und nicht
zur Aufbringung der Hubkraft benötigt
wird, ist dieser entsprechend schwach dimensionierbar.
-
2 stellt
eine zweite Ausführungsform
einer Hubeinrichtung 10 dar.
-
Die
Hubeinrichtung 10 der 2 hat ähnlich zur 1 ein
Hubgehäuse 74,
das mit dem Ventilschieber 4 verbunden und in dem ein Innenraum 26 ausgebildet
ist. In dem Innenraum 26 ist mit axialem Spiel ein zweiteiliger
Hubkörper 18 aufgenommen, der
mit der Spindel 14 des Spindeltriebs 8 verbunden ist.
-
Der
Hubkörper 18 hat
zwei Zylinderkörper 48, 50,
die stirnseitig über
eine Trennschicht 52 elektrisch voneinander getrennt sind.
In der von der Trennschicht 52 abgewandten Stirnfläche 30 bzw. Ringstirnfläche 34 der
Zylinderkörper 48, 50 ist
jeweils eine ringartige Ausnehmung 38, 40 zur
Aufnahme einer Spule 42, 44 ausgebildet. Die Spulen 42, 44 sind
im Betrieb wechselnd gegenpolig bestromt.
-
Das
axiale Spiel bestimmt den Arbeitsluftspalt 51 bzw. 52 zwischen
der Stirnfläche 30 und einer
gegenüberliegenden
Anschlagfläche 32 des Hubgehäuses 74,
bzw. zwischen der Ringstirnfläche 34 und
einer gegenüberliegenden
Ringanschlagfläche 36 des
Hubgehäuses 74.
-
Die
Funktionsweise entspricht der vorbeschriebenen, so dass auf eine
erneute Erläuterung verzichtet
wird. D.h. durch das schnelle wechselweise Zusammenwirken der pulsierend
bestromten Hubeinrichtung 10 mit dem Spindeltrieb 8 kann
beim Nachdrehen des Spindeltriebs 10 während eines Rückhubs der
Hubeinrichtung 10 der Ventilschieber 4 durch Addition
der Teilhübe
der Hubeinrichtung 10 um einen großen Gesamthub und mit großer Kraft verschoben
werden.
-
3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
einer Hubeinrichtung 10.
-
Die
Hubeinrichtung 10 hat als Hubgehäuse einen Spulenkörper 46,
der mit dem Ventilschieber 4 verbunden ist und in dem ein
Innenraum 26 ausgeformt ist. In diesem ist mit axialem
Spiel ein Hubkörper 18 in
Form eines Permanentmagneten aufgenommen, der mit der Spindel 14 des
Spindeltriebs 8 verbunden ist.
-
Der
Spulenkörper 46 hat
einen, den Innenraum 26 radial umgreifenden Ringraum 54,
in dem eine Spule 42 aufgenommen ist. Im Betrieb wird die Spule 42 schnell
wechselnd gegenpolig bestromt, so dass sich im wechelsweisen pulsierenden
Zusammenwirken der Hubeinrichtung 10 mit dem Spindeltrieb 8 eine
Vielzahl von den vorbeschriebenen Teilhüben zu einem Gesamthub addieren.
-
Die
Ausführungsformen
gemäß den 4, 5 und 6 zeigen
Ausführungsformen,
bei denen das linke Endstück 22 (4),
das Hubgehäuse 74 (5)
bzw. der Spulenträger 46 (6)
der Hubeinrichtung 10 an der Spindel 14 des Spindeltriebs 8 und
der Hubkörper 18 an
dem Ventilschieber 4 befestigt sind. Dabei entspricht die
Anordnung der Spulen 42, 44 und der Aufbau des
Hubkörpers 18 nach der 4 der
Hubeinrichtung 10 nach der 1, die Anordnung
der Spulen 42, 44 und der Aufbau des Hubkörpers 18 nach
der 5 der Hubeinrichtung 10 nach der 2 und
die Anordnung der Spule 42 und der Aufbau des Hubkörpers 18 nach
der 6 der Hubeinrichtung 10 nach der 3.
-
Die
jeweilige Hubeinrichtung 10 wirkt mit dem Spindeltrieb 8 auf
die vorbeschriebene schnell wechselnde pulsierende Art und Weise
zusammen, so dass sich aus einer Viehlzahl von pulsierenden Teilhüben der
Hubeinrichtung 10 beim Nachführen der Spindel 14 ein
Gesamthub des Ventilschiebers 4 ergibt. Es ist lediglich
darin ein Unterschied zu sehen, dass bei den Ausführungsformen
nach den 4 bis 6 zuerst
der Hubkörper 18 verschoben
wird, und dann beim Rückhub
das Hubgehäuse 20, 22, 24; 74: 46 nachgeführt wird.
Auf eine erneute Funktionserläuterung
wird daher verzichtet.
-
7 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Spindel 14 des Spindeltriebs 8 starr
mit dem Ventilschieber 4 verbunden ist und somit die Verbindung Ventilschieber 4 – Spindel 14 keiner
Längenänderung
ausgesetzt ist.
-
Die
Hubeinrichtung 10 weist einen Spulenkörper 46 mit einem
Innenraum 26 auf, der von einer Spule 42 in einem
Ringraum 54 umgriffen ist. In dem Innenraum 26 ist
ein Hubkörper 18 in
Form eines Permanentmagneten aufgenommen, der die Spindel 14 und
den Ventilschieber 4 starr miteinander verbindet. Dabei
ist die Axiallänge
des Hubkörpers 18 kleiner
als die axiale Ausdehnung des Innenraums 26, so dass der
Hubkörper 18 und
der Spulenkörper 46 axial
relativ zueinander verschiebbar sind, bis der Spulenkörper 46 mit
seinen Seitenflächen 56, 58 an gegenüberliegenden
Ringstirnflächen 60, 62 des Hubkörpers 18 aufläuft. Der
Abstand S1, S2 zwischen den gegenüberliegenden Flächen 58, 62 und 56, 60 definiert
dabei das axiale Spiel und somit den maximalen Arbeitsluftspalt.
-
Die
Funktionsweise ist wie folgt: Der Ventilschieber 4 wird
pulsierend über
ein Zusammenwirken des Spindeltriebs 8 mit der Hubeinrichtung 10 verschoben.
Wie bei den Ausführungsformen
nach den 1 bis 6 wird die
Hubkraft über
die Hubeinrichtung 10 aufgebracht und über die Drehmomentenrichtung
des Spindeltriebs 8 die Richtung des Verschieberhubs bestimmt.
Im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen erfährt die Verbindung
Ventilschieber 4 – Spindel 14 keine
axiale Längenänderung,
sondern der Spulenkörper 46 wird über die
wechselnde Bestromung der Spule 42 relativ zum Hubkörper 18 in
axiale Schwingungen versetzt. Der Spulenkörper 46 wirkt als
oszillierende Masse, deren Beschleunigungskräfte über das Magnetfeld auf den
Hubkörper 18 wirken,
so dass die Spindel 14 wechselnd be- und entlastet wird,
wobei bei Belastung der Spulenkörper 46 und
somit der Ventilschieber 4 axial verschoben und bei einem
Rückhub
die Spindel 14 entlastet wird, so dass der Hubkörper 18 nachgeführt werden
kann.
-
8 zeigt
eine Ausführungsform ähnlich zur 7,
bei dem die Spindel 14 des Spindeltriebs 8 starr
mit dem Ventilschieber 4 verbunden ist und der Spulenkörper 46 als
oszillierende Masse wirkt.
-
Im
Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 7 ist
der Hubkörper 18 nicht
als ein Permanentmagnet ausgebildet, sondern als eine Spule 44,
die zwischen zwei radialen Erweiterungen 64, 66 angeordnet
ist und im Betrieb gegenpolig zur äußeren Spule 42 im
Ringraum 54 bestromt wird.
-
Da
die Funktionsweise dieser Ausführungsform
der nach der 7 entspricht, erfolgt keine
erneute Funktionserläuterung.
-
9 zeigt
eine Ausführungsform
gemäß 3,
bei der die Hubeinrichtung 10 über eine Feststelleinrichtung 68 lagefixiert
werden kann. Eine derartige Feststelleinrichtung 68 wird
bevorzugterweise dann eingesetzt, wenn der Ventilschieber 4 ohne
eine weitere Energiezufuhr in einer eingestellten Position gehalten
werden soll.
-
Die
Feststelleinrichtung 68 hat einen geschlitzten Federring 70 aus
einem magnetisierbaren Material, der in einer außenliegenden Umfangsnut 72 des
Spulenkörpers 46 angeordnet
ist. Um eine größtmögliche Feststellkraft
zu erzielen, erstreckt sich die Umfangsnut 72 und somit
der darin aufgenommene Federring 70 vorzugsweise nahezu über die
gesamte Länge
des Spulenkörpers 46.
-
Bei
Nichtbestromung der Spule 42 ist der Federring 70 zwischen
dem Spulenkörper 46 und
einem gegenüberliegenden
Innenumfangsabschnitt des Außengehäuses 12 radial
eingeklemmt, so dass die Hubeinrichtung 10 und somit der
Ventilschieber 4 lagefixiert ist.
-
Bei
Bestromung der Spule 42, bildet sich ein Magnetfeld aus,
dass sowohl auf den Hubkörper 18 als
auch auf den Federring 70 wirkt und diesen veranlasst,
sich radial zusammenzuziehen, so dass die Klemmung gelöst und der
Spulenkörper 46 und
somit der Ventilschieber 4 wie vorbeschriebenen axial verschiebbar
ist.
-
Offenbart
ist ein Ventil mit einem Ventilschieber, der mittels eines Spindeltriebs
und einer pulsierend ansteuerbaren Hubeinrichtung verstellbar ist, wobei
die Hubeinrichtung um einen Teilbereich des Verschiebewegs verschiebbar
ist und während
eines Rückhubs
der Hubeinrichtung der Spindeltrieb nachstellbar ist.
-
- 1
- Ventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 4
- Ventilschieber
- 6
- Bohrung
- 8
- Spindeltrieb
- 9
- Elektomotor
- 10
- Hubeinrichtung
- 12
- Außengehäuse
- 14
- Spindel
- 15
- Motorflansch
- 16
- Öffnung
- 18
- Hubkörper
- 20
- Mantel
- 22
- Endstück
- 24
- Endstück
- 26
- Innenraum
- 28
- Durchgangsbohrung
- 30
- Stirnfläche
- 32
- Anschlagfläche
- 34
- Ringstirnfläche
- 36
- Ringanschlagfläche
- 38
- Ausnehmung
- 40
- Ausnehmung
- 42
- Spule
- 44
- Spule
- 46
- Spulenkörper
- 48
- Zylinderkörper
- 50
- Zylinderkörper
- 52
- Trennschicht
- 54
- Ringraum
- 56
- Seitenfläche
- 58
- Seitenfläche
- 60
- Ringstirnfläche
- 62
- Ringstirnfläche
- 64
- Erweiterung
- 66
- Erweiterung
- 68
- Feststelleinrichtung
- 70
- Federring
- 72
- Umfangsnut
- 74
- Hubgehäuse