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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Steuerschieber eines
hydraulischen Ventils, der mechanisch mit dem Ventil gekoppelt ist, mit
einem elektronisch kommutierenden Gleichstrommotor, der einen Stator
und einen Rotor aufweist, dessen Achse in axialer Richtung fest
mit dem Steuerschieber verbunden und mit einer Gewindespindel versehen
ist, mit einem mit der Gewindespindel in Eingriff stehenden Getriebe,
das die Drehbewegung des Rotors in eine lineare Bewegung des Steuerschiebers
umsetzt und mit einer elektrischen Steuervorrichtung zur Ansteuerung
der einzelnen Phasen des Gleichstrommotors, mit der während des Betriebs
Informationen über
die aktuelle Position des Steuerschiebers bereitgestellt werden.
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Der
Steuerschieber bekannter 4/3-Wege-Ventile wird durch den elektronisch
kommutierenden Gleichstrommotor bewegt, dessen Rotor einen Permanentmagneten
aufweist. Ein Getriebe setzt die rotatorische Bewegung des Motors
in eine für
den Antrieb des Steuerschiebers benötigte Linearbewegung um. Die
elektronische Kommutierung wird durch eine elektronische Steuerung
bewirkt, die im Betrieb aus den Informationen über die Winkelposition der
magnetischen Pole relativ zu den Erregerspulen im Stator des Motors
die Signale zur Ansteuerung der Erregerspulen erzeugt.
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Die
Steuereinheit in Kombination mit dem permanent magnetisch erregten,
elektronisch kommutierenden Gleichstrommotor wird im Folgenden kurz
BLDC-Motor genannt.
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Aus
der
DE 103 08 910
A1 ist ein derartiges Steuerventil mit Fail-Safe Funktion
bekannt, das insbesondere bei Steueraufgaben im Bereich der Mobilhydraulik
Verwendung findet. Die Sicherheitsfunktion besteht darin, dass im
Fehlerfall in jeder Wegposition, in die das Ventil durch eine Betätigungseinrichtung,
beispielsweise einen Hubmagnet, bewegt wird, ein an der Anschlussstelle
angeschlossenes hydraulisches Steuerorgan drucklos geschaltet sein
soll. Dies wird dadurch realisiert, dass eine druckbeaufschlagte
Anschlussstelle mit einer oder mehreren weiteren Anschlussstellen
verbunden wird, die mit einem oder mehreren Behältern verbunden ist, und diesen
Anschluss damit entlastet.
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Bei
dem bekannten Ventil wird die Sicherheitsfunktion durch ein Ventilteil
gebildet, in das einen Steuerschieber integriert ist. Der Steuerschieber weist
hierzu eine koaxiale Bohrung auf, die als Entlastungskanal ausgebildet
ist, der über
einen Querkanal und Steuerausnehmungen in Form einer Ringnut am
Umfang des Steuerschiebers mit der Verbraucheranschlussstelle verbunden
ist. Die durch einen Stößel eines
Betätigungselementes
gebildete Stirnseite des Steuerschiebers ist offen und mündet in
einen Steuerraum. Die Querbohrung ist so ausgebildet, dass sie sowohl
in der ersten Stellung, in welcher der Steuerschieber nicht betätigt wird,
und in einer zweiten Stellung, sowie in jeder Zwischenstellung zwischen
den beiden Stellungen, in der er betätigt wurde, mit der Anschlussstelle
für den
Verbraucher verbunden ist.
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Durch
diese Anordnung verteuert sich die Herstellung des Ventils erheblich,
da systembedingt zusätzliche
Bohrungen im Steuerschieber und in der Umhüllung notwendig sind, deren
Herstellung eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich machen. Ferner
ist bei einer Funktionsstörung
des Ventils die Entlastung nur über
einen zusätzlichen
Tank oder Behälter
zu realisieren. Angestrebt wird aber eine Entlastung zum Tank, der
auch für
den Normalbetrieb vorgesehen ist.
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Der
Steuerschieber der benannten 4/3-Wege-Ventile kann auch mittels
eines Schrittmotors angetrieben werden. Dieser Schrittmotor wird
elektrisch betrieben, wobei die Schaltsequenz für die einzelnen Phasen des
Schrittmotors über
das in einem Mikroprozessor (μP)
gespeicherte Programm erzeugt wird. Der Läufer des Schrittmotors muss
nicht direkt auf den Steuerschieber wirken, sondern kann über ein Getriebe
mit diesem verbunden sein. Dieser Motor muss nicht notwendigerweise
permanent erregt sein.
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Der
Steuerschieber eines hydraulischen 4/3-Wege-Ventils wird durch die
Einwirkung einer Differenzkraft in seiner Position relativ zu den
Steuerkanten in seinem Gehäuse
verschoben. Derartige Ventile sind aus der Literatur allgemein bekannt.
Es wird prinzipiell unterschieden zwischen:
- 1.
hydraulisch vorgesteuerte 4/3-Wege-Ventile mit einem direkt gesteuerten
4/3-Wege-Steuerschieberventil als Vorsteuerung,
- 2. hydraulisch vorgesteuerte 4/3-Wege-Ventile mit zwei Proportionaldruckminderventilen
als Vorsteuerung,
- 3. 4/3-Wege-Ventile mit einem elektronisch oder über Bürsten kommutierenden
DC Servomotor als Antrieb für
den Steuerschieber, der direkt oder optional über ein Übersetzungsgetriebe erfolgen kann,
- 4. 4/3-Wege-Ventile mit einem Schrittmotor als Antrieb für den Steuerschieber,
der direkt oder optional über
ein Übersetzungsgetriebe
erfolgen kann, und
- 5. 4/3-Wege-Ventile mit einem BLDC-Motor als Antrieb für den Steuerschieber,
der direkt oder optional über
ein Übersetzungsgetriebe
erfolgen kann.
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Als
potentieller Fehler, der allen Wirkprinzipien gemeinsam ist, wird
der Fall angesehen, dass es nicht mehr möglich ist, über längere Zeit eine definierte
Stellkraft auf den Haupt-Steuerschieber des 4/3-Wege-Ventils auszuüben.
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Eine
regelmäßig wiederkehrende
Fehlersituation ist das Abschalten des Systems. Dabei wird die Energieversorgung
der Aktoren abgeschaltet und der Versorgungsdruck für das Hydrauliksystem
bricht zeitversetzt zusammen. Damit die Hydraulik in diesem Fall
keine unkontrollierten Bewegungen ausführt, muss der Steuerschieber
der Hydraulikhauptstufe in eine definierte Position gebracht werden.
Zu diesem Fall analog ist der Ausfall des Versorgungsdrucks der
Pilotventile bei vorgesteuerten Systemen. Ein weiterer Fehlermechanismus
ist die Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den Motoren
oder den Hubmagneten und der Vorsteuerung.
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Dieser
Fehler kann durch einen Fehler im elektrischen System (Kurzschluss)
hervorgerufen werden oder tritt auf, wenn ein Verbindungskabel zwischen
der elektrischen Ansteuerung und den Aktoren unterbrochen wird.
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Weiterhin
ist es bekannt, im Fehlerfall die Stirnflächen des 4/3-Wege-Ventils von
den Aktoren abzukoppeln (was bei hydraulischen Vorsteuerungen schon
durch das Auftreten des Fehlers geschieht) und den Steuerschieber
der Hauptstufe mittels zweier vorgespannter Federn, die jeweils
auf eine Stirnfläche
wirken, in der gewünschten
Fail-Safe Position zu positionieren. Die Vorspannung dieser Federn
muss dabei derart gewählt
werden, dass der Steuerschieber der Hauptstufe gegen die im Hydrauliksystem vorhandenen
Störkräfte an seiner
vordefinierten Position gehalten wird.
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Bei
einem Einsatz von Direktantrieben mittels Motoren kann unter Verwendung
eines selbsthemmenden Getriebes auch ein fehlersicherer Ruhezustand
realisiert werden.
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Eine
weitere Arbeitsweise ist es, einen fehlersicheren Zustand bei Einsatz
von Motoren zu erreichen, ein nicht hemmendes Getriebe zu verwenden und
kraftmä ßig parallel
zum Motor ein entsprechend dimensioniertes Federsystem einzubauen.
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Dieses
Federsystem wird dabei im Betrieb durch den Motor gespannt und stellt
im Fehlerfall den Steuerschieber gegen die im Getriebe wirksamen Reibkräfte in die
sichere Position.
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Die
bekannten Lösungen
lassen allerdings nicht erkennen, wie eine Fail-Safe Position sicher
erreicht wird.
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Die
bekannten Lösungen
mit der Verwendung von zwei vorgespannten Federn haben als größten Nachteil,
dass im Regelbetrieb die Vorspannung der Federn durch das Pilotsystem überwunden werden
muss. Bei der Verwendung einer hydraulischen Vorsteuerung fällt dieser
Nachteil nicht ins Gewicht, weil die zur Betätigung der Federn benötigte Ansteuerarbeit
hydraulisch erzeugt wird. Bei direkt gesteuerten Steuerschiebern
wird aber dieser Effekt dominant, da unter Umständen bis zu 80% der benötigten Ansteuerarbeit
zum Betätigen
der Federn benötigt
wird. Jede Möglichkeit
die Stellkraft der Federn zu verringern ermöglicht es, die Elektromotoren
bedeutend kleiner auszulegen und damit Gewicht, Bauraum, elektrische
Energie und Kosten im selben Maß zu
senken beziehungsweise die Dynamik zu verbessern.
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Ein
weiterer Nachteil sind die Exemplarschwankungen der Federn. Daher
muss die Fail-Safe Position mittels aufwändiger Vorrichtungen für jedes
4/3-Wege-Ventil
zeitraubend bei Inbetriebnahme und nach Wartungsarbeiten bzw. Austausch justiert
werden.
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Ein
entscheidender Nachteil ist die mangelnde Beherrschung von Fehlern,
die zu einem einseitigen Ausfall des Pilotsystems führen. Diese
Fehler können
sein:
- – der
Bruch einer der Vorspannfedern,
- – das
Klemmen des Steuerschiebers in mindestens einem der Pilotventile
bei hydraulischer Vorsteuerung,
- – asymmetrische
Leckagen oder
- – eine
Unterbrechung nur einer der beiden elektrischen Zuführleitungen
der Aktoren.
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Die
Fehlerfolgen dieser Fehler sind dabei so groß, dass in entsprechenden Normen
und Vorschriften (EN 62061, EN 954, ISO 13849, ...) gefordert wird,
alle für
die Fehlerbeherrschung verantwortlichen Komponenten dauerfest auszuführen. Dies
bedeutet insbesondere, dass bei Einsatz von Spindelmutter-Ausführungen
das Klemmen der Spindelmutter im Fehlerfall beherrschbar sein muss.
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Die
vorliegende Vorrichtung zum Sicherstellen einer fehlersicheren Position
kann auf Anwendungen beschränkt
sein, bei denen der Steuerschieber des 4/3-Wege-Ventils mit Hilfe eines bürstenlosen
Gleichstrommotors angetrieben wird. Bauart bedingt besitzt der Mikroprozessor,
der zum Ansteuern des bürstenlosen
Gleichstrommotors benötigt
wird, zu jedem Zeitpunkt des Betriebs die Information über die
aktuelle Position des Steuerschiebers des 4/3-Wege-Ventils. Insbesondere
muss diese Ansteuerung eine Information über die vordefinierte als fehlersicher
angesehene Position des Steuerschiebers besitzen (Nullpunkt).
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Die
Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mittels derer sichergestellt ist, dass
sich der Steuerschieber eines vorgesteuerten hydraulischen 4/3-Wege-Ventils
im Fehlerfall in einem als „sicher" definierten Zustand
befindet, d. h., dass das hydraulischen 4/3-Wege-Ventils mit einer sogenannten Fail-Safe
Funktion ausgestattet ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Antriebsvorrichtung
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei
einer Antriebsvorrichtung für
einen Steuerschieber eines hydraulischen Ventils der eingangs genannten
Art ist erfindungsgemäß die Achse
des Rotors mittels zweier Lager in axialer Richtung derart gelagert,
dass der Rotor mit geringem Kraftaufwand verschiebbar ist. Eine
Schaltvorrichtung ist mit dem Stator des Gleichstrommotors verbunden,
die im normalen Betrieb als Getriebe mit der Gewindespindel zur
Umsetzung der Drehbewegung des Rotors in eine lineare Bewegung des
Steuerschiebers in Eingriff bringbar ist. Während eines Stör- oder
Fehlerfalles wird der Kraft- und Formschluss zwischen Schaltvorrichtung
und der Gewindespindel aufgehoben, so dass der Rotor mit dem Steuerschieber
in axialer Richtung frei verschiebbar ist und wenigstens eine Feder
den Rotor und den damit verbundenen Steuerschieber in eine als sicher
erkannte Position oder als sicher erkannten Zustand des Ventils
verbringt.
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Dadurch
wird erreicht, dass nach dem Auftreten eines Fehlers im System der
Steuerschieber des 4/3-Wege-Ventils freigegeben wird, damit dieser mittels
von vorhandenen Federn an eine als sicher definierte Position bewegt
und dort auch gegen Störkräfte dauerhaft
gehalten werden kann.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rotor in seiner Lagerung
im Inneren des Stators um mindestens den Hub des Steuerschiebers
ohne wesentlichen Kraftverlust axial verschiebbar ist.
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In
vorteilhafter Weise kann der Kraftschluss zwischen Schaltvorrichtung
und Gewindespindel durch einen Schaltmagneten im normalen Betrieb bewirkt
werden, der über
die elektrische Steuervorrichtung erregt wird und im stromlosen
Zustand die Gewindespindel freigibt.
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Erfindungsgemäß können die
Lager Gleitlager sein, wobei eines der Lager durch die Lagerung des
Steuerschiebers gebildet sein kann.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Hemmung der Schaltvorrichtung
zum Eingriff in die Gewindespindel durch einen Stift gebildet wird,
wobei der Einfachheit halber der Stift der Stößel des Schaltmagneten sein
kann.
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In
vorteilhafter Weise kann der Schaltmagnet mit der Versorgungsspannung
des Gleichstrommotors verbunden sein, die im Fehlerfall abgeschaltet wird,
wobei der Anker des Schaltmagneten durch eine Rückstellfeder stromlos in geöffnetem
Zustand gehalten wird.
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Erfindungsgemäß kann die
Schaltvorrichtung aus einer Spindelmutter als Hemmung bestehen,
die durch den Stift an einer Rotation und Translation gehindert
wird.
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Die
Spindelmutter kann erfindungsgemäß eine Längsnut mit
wenigstens einer Vertiefung aufweisen, in die der Stift wahlweise
einzugreifen vermag wodurch eine Rotation und ggf. Translation der Spindelmutter
verhindert wird.
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Damit
kann der Stift im Fehlerfall in die Längsnut eingreifen, so dass
eine Rotation der Spindelmutter unterbunden ist, und im Betriebsfall
in die Vertiefung eingreifen, so dass zusätzlich eine Translation der
Spindelmutter verhindert wird.
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Erfindungsgemäß kann der
Gleichstrommotor permanent erregt sein.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
mechanischen Aufbau einer erfindungsgemäßen direkten Steuerung für ein 4/3-Wege-Ventil,
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2 einen
Schnitt der erfindungsgemäßen direkten
Steuerung gemäß Linie
B-B in der 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der in den 1 und 2 dargestellten
Hemmung,
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4 die
prinzipielle Wirkungsweise der direkten Steuerung des 4/3-Wege-Ventils
und
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5 die
elektrische Schaltung der direkten Steuerung des 4/3-Wege-Ventils.
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In
der 1 ist ein 4/3-Wege-Ventil 1 mit einem
in einem Schiebergehäuse 2 axial
bewegbar gehaltenen Steuerschieber 3 dargestellt. An dem Schiebergehäuse 2 ist
eine Antriebsvorrichtung 4 angebracht, deren Aktor mit
dem Steuerschieber 3 verbunden ist. Die Antriebsvorrichtung 4 weist
als Aktor einen permanent erregten, elektronisch kommutierenden
Gleichstrommotor 7 auf, dessen Achse 6 mittels
einer Kupplung 5 relativ zueinander drehbar, in axialer
Richtung jedoch fest mit dem Steuerschieber 3 verbunden
ist, wodurch verhindert wird, dass der Steuerschieber 3 Drehbewegungen
der Achse 6 mit macht. Der Gleichstrommotor 7 besteht
aus einem Motorgehäuse 8,
einem Stator 9 und einem Rotor 10, dessen Drehachse
die mit dem Steuerschieber 3 verbundene Achse 6 ist.
Diese Achse 6 ist in zwei Lager 11 verschiebbar
gehalten. Die Lager 11 können, wie dargestellt, im Motor 7 angeordnet
sein. Eines der Lager 11 kann durch die Lagerung des Steuerschiebers 3 gebildet
sein.
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Die
Achse 6 ist mit einer Gewindespindel 12 versehen,
in die eine von dem Motorgehäuse 8 gleitend
gelagerte spezielle Hemmung 13 eingreifbar gehalten ist.
Die Hemmung 13 wird durch einen mit Strom beaufschlagten
Schaltmagneten 14 in Eingriff mit der Gewindespindel 12 gebracht.
Die Hemmung 13 und der Schaltmagnet 14 bilden
eine Schaltvorrichtung, die im normalen Betrieb mit der Gewin despindel 12 derart
in Eingriff steht, dass die Hemmung 13 zusammen mit der
Gewindespindel 12 ein Getriebe bildet, dass die Rotation
des Gleichstrommotors 7 in eine axiale Bewegung umsetzt,
so dass der mit der Achse 6 verbundene Steuerschieber 3 ebenfalls
in axialer Richtung bewegt wird.
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Wird
der Schaltmagnet 14 abgeschaltet, fällt die Hemmung 13 von
der Gewindespindel 12 ab, so dass die Achse 6 und
damit der Rotor 10 in axialer Richtung frei beweglich sind.
Durch eine oder mehrere Federn 15 oder Federpaketen, die
an der Achse 6 oder dem Steuerschieber 3 angreifen,
kann erreicht werden, dass der Steuerschieber 3 in seine
Fail-Safe Position, beispielsweise die dargestellte Mittenposition,
gebracht wird.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie B-B in 1 durch
das 4/3-Wege-Ventil 1 und
der Antriebsvorrichtung 4. Gleiche Bauteile sind dabei mit
gleichem Bezugszeichen versehen.
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Die
spezielle Hemmung 13 kann direkt mit der Gewindespindel 12 in
Eingriff gebracht werden, wenn sie, wie aus 1 ersichtlich,
von einem Stift gebildet ist, der von dem Motorgehäuse 8 gleitend gehalten
ist. Die die Gewindespindel 12 der Achse 6 kontaktierende
Oberfläche
kann eine derartige rillenförmige
Struktur aufweisen, so dass sie mit der Gewindespindel 12 der
Achse 6 verzahnt ist. Der Stift kann beispielsweise der
verlängerte
Stößel des Schaltmagneten 14 sein.
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Die
Hemmung 13 kann aber auch in eine auf der Gewindespindel 12 befindliche
Spindelmutter 20 eingreifen, die in 3 dargestellt
ist. Der Eingriff in die Gewindespindel 12 wird durch den
Stößel des Schaltmagneten 14 bewirkt,
der in eine Längsnut 21 der
Spindelmutter 20 ragt. Dadurch wird eine Rotation der Spindelmutter 20 unterbunden.
Wird der Schaltmagnet 14 im Betriebsfall erregt und der
Rotor 10 in Bewegung versetzt, greift der Stößel des Schaltmagneten 14 in
eine von in der Längsnut 21 der
Spindelmutter 20 angeordnete Vertiefungen 22 ein,
so dass zusätzlich
eine Translation der Spindelmutter 20 verhindert wird.
Dadurch wird erreicht, das die Gewindespindel 12 in der
arretierten Spindelmutter 20 gehalten wird, so dass bei
einer Drehbewegung des Rotors 10 und damit der Achse 6 in
Richtung des Drehpfeiles 23 sich der Rotor 10 innerhalb des
Stators 9 verschiebt. Dadurch wird die Achse 6 und
damit der Steuerschieber 3 des Ventils 2 in Richtung
des Doppelpfeiles 24 bewegt, so dass eine nachfolgend noch
beschriebene Steuerung des Ventils 2 erfolgt.
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Bei
Eintreten eines Fehlerfalls wird der Schaltmagnet 14 stromlos
und fällt
ab, so dass der Stößel zwar
aus der Vertiefung 22 gleitet, aber immer noch sich in
der Längsnut 21 der
Spindelmutter 20 befindet. Durch die Kraft der Federn 15 wird
der in den Lagern 11 gelagerte Rotor 10 in seine
als sicher festgelegte Position bewegt, so dass sich der Steuerschieber 3 in
seiner Fail-Safe Position befindet. Wird nach einem Fehlerfall das
Ventil 1 wieder in Betrieb genommen, so wird der Schaltmagnet 14 wieder
erregt und der Rotor 10 solange betrieben, bis der Stößel in eine
der Vertiefungen 22 eingreifen kann. Durch die Längsnut 21 wird
die Spindelmutter 20 so gehalten, dass sie sich auf der
Gewindespindel 12 in Richtung des Doppelpfeiles 24 verschiebt,
bis sie wieder einrastet.
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Durch
diese Anordnung ist die Hemmung 13 schaltbar, so dass die
im Getriebe wirksamen Reibkräfte
sich im Fehlerfall drastisch verringern und die Federn 15 nur
schwach ausgelegt sein müssen.
Sie müssen
lediglich den geringen Kraftaufwand im Fehlerfall aufbringen, der
nötig ist,
den in seinen Lagern 11 leicht verschiebbar angeordneten
Rotor 10 und damit den Steuerschieber 3 in seine
Fail-Safe Position zu verschieben. Deshalb kann das Federsystem schwach
dimensioniert werden, so dass im Betrieb, im zugeschalteten Zustand
der Hemmung 13, der Gleichstrommotor 7 zur Spannung
des Federsystems nur geringe Kräfte
aufbringen muss und dadurch ebenfalls schwächer dimensioniert sein kann.
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Anhand
der 4 wird nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
näher erläutert. Über einen
Sollwertgeber 30 werden die Betriebsparameter eingestellt
und einer Verstärkungsstufe 31 zugeführt, die
mit einem elektromechanischen Stellglied 32 verbunden ist.
Das Stellglied 32 steuert den mechanischen Antrieb 33,
der die mechanische Last 34 betätigt. An der Verstärkungsstufe 31 ist
eine elektrische Energieversorgung 35 angeschlossen, welche
die Verstärkungsstufe 31 und
den elektrischen Teil des Stellglieds 32 mit Spannung versorgt.
Eine hydraulische Energieversorgung 36 erzeugt den über das
4/3-Wege-Ventil 42 als
Ventil 1 zu steuernden Arbeitsdruck für den Antrieb 33.
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Der
Sollwertgeber 30 weist ein einstellbares Potentiometer 40 auf,
dessen Ausgangssignal über einen
Verstärker 41 der
Verstärkungsstufe 31 dem Gleichstrommotor 7,
hier ein BLDC-Schrittmotor 42, zugeführt wird, der den Antrieb des
Stellglieds 32 bewirkt. An der Achse des BLDC-Schrittmotors 42 greift die
Hemmung 13 der Schaltvorrichtung 43 ein. Der BLDC-Schrittmotor 42 ist
wirkungsmäßig mit
einem 4/3-Wege-Ventil 44 mit Zwischenstellungen, zwei verschiedenen
Durchflusswegen und vier gesperrten Anschlüssen verbunden, so dass das
Fluid der hydraulischen Energieversorgung 36, beispielsweise eine
Pumpe (Hydropumpe), in gewünschter
Weise in einen Antriebszylinder 45 des Antriebs 33 presst.
Die Last 34 wird durch eine Masse 46, eine Feder 47 und einen
Zylinder 48 als Dämpfungsglied
repräsentiert.
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Fällt nun
beispielsweise die elektrische Energieversorgung 35 aufgrund
einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses aus, so wird der Schaltmagnet 14 abgeschaltet,
so dass mittels der Federn 15 der Steuerschieber 3 und
das 4/3-Wege-Ventil 44 in eine
als sicher definierte Position bewegt. Diese kann beispielsweise
die Mittenstellung des 4/3-Wege-Ventils 44 sein, das sich
dann in der gesperrten Stellung befindet.
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Die 5 zeigt
den elektrischen Aufbau der Antriebsvorrichtung. Die Energiezufuhr 50 wird über einen
Schalter 51 einem Prozessor 52, beispielsweise
einem Mikroprozessor, zugeführt,
dem ein sogenannter Watchdog 53 zugeordnet ist.
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Als
Watchdog 53 wird allgemein eine Komponente eines Systems
bezeichnet, die die Funktion anderer Komponenten, beispielsweise
des Prozessors 52 beobachtet. Wird dabei eine mögliche Fehlfunktionen
erkannt, so wird dies entweder signalisiert oder es werden geeignete
Maßnahmen
eingeleitet, die das anstehende Problem lösen sollen.
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An
dem Prozessor 52 sind über
als Schalter wirkende Dioden 54 die Statorwicklungen 55 des BLDC-Schrittmotors 42 angeschlossen.
Mit dem Rotor 10 des BLDC-Schrittmotors 42 ist
ein Positionssensor 56, beispielsweise ein Hallsensor,
oder ein Winkeldekoder gekoppelt, der mit dem Prozessor 52 verbunden
ist. Ein hydraulischer Positionsgeber 57 teilt dem Prozessor 52 die
Position beispielsweise des Steuerschiebers 3 mit. Wegen
der starren Kopplung zwischen dem Steuerschieber 3 und
dem Rotor 10 des BLDC-Schrittmotors 42 kann ggf.
einer der Sensoren entfallen.
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An
dem Prozessor 52 ist weiterhin die Schaltvorrichtung 43 angeschlossen,
die im Fehlerfall die Achse des BLDC-Schrittmotors 42 freigibt.
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Die
Drehbewegung des Rotors 10 wird in eine axiale Linearbewegung
gewandelt, indem der Schaltmagnet 14 mit einer speziellen
Hemmung 13 (Mutter oder Stift) in Eingriff gebracht wird.
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Das
eingangs genannte System kann folgende Komponenten aufweisen:
ein
4/3-Wege-Ventil 1, 44, dessen Steuerschieber 3 mechanisch
in axialer Richtung starr mit der Achse 6 eines BLDC-Schrittmotors 42 verbunden
ist,
einen Rotor 10 des BLDC-Schrittmotors 42,
dessen Achse 6 mittels zweier Lager 11 gelagert
ist und auf dessen Achse 6 ein Getriebe aufgebracht ist,
eine
Vorrichtung 13, beispielsweise ein Stift oder eine Spindelmutter 20,
die mit dem Stator des BLDC-Schrittmotors 42 verbunden
ist und die im Eingriff mit der Gewindespindel 12 als Getriebe
die Rotation (23) des Rotors 10 in eine lineare
Vorwärtsbewegung
(24) umsetzt,
eine elektrische Steuervorrichtung (μP 52)
zur Ansteuerung der einzelnen Phasen des BLDC-Schrittmotors 42,
die während
des Betriebs die Information über
das Auftreten eines Fehlers bereitstellt und eine Fehlersicherung
auslöst.
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Dieses
System kann erfindungsgemäß weiterhin
derart ausgebildet sein, dass:
der Rotor 10 in seinen
Lagern 11 axial gelagert und im Inneren des Stators 9 um
mindestens den Hub des Steuerschiebers 3 ohne Kraftverlust
verschiebbar ist, eine im normalen Betrieb in die Gewindespindel 12 auf
der Achse 6 des Rotors 10 eingreifende Schaltvorrichtung
(Hemmung 13, Schaltmagnet 14) vorgesehen ist,
die eine Drehbewegung (23) des Rotors 10 in eine
axiale Verschiebung (24) des Steuerschiebers 3 umsetzt,
wobei im Fehlerfall der Kraft- und Formschluss zwischen der Schaltvorrichtung 13, 14 und
der Gewindespindel 12 aufgehoben wird und der Rotor 10 mit
dem Steuerschieber 3 ist in axialer Richtung frei verschiebbar
ist, und
ein über
die elektrische Steuervorrichtung 52 erregter Schaltmagnet 14 den
Kraftschluss zwischen Schaltvorrichtung 13, 14 und
Gewindespindel 12 im normalen Betrieb bewirkt und im stromlosen
Zustand die Gewindespindel 12 freigibt.
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Die
Lager 11 können
als Gleitlager ausgeführt
sein, wobei eines der Gleitlager durch die Lagerung des Steuerschiebers 3 in
seinem Gehäuse
gebildet sein kann. Die Vorrichtung zum Eingriff in die Gewindespindel 12 wird
durch einen Stift 13 gebildet, wobei der Stift 13 der
Stößel des
Schaltmagneten 14 sein kann. Der Schaltmagnet 14 ist
mit der Versorgungsspannung des BLDC-Schrittmotors 42 verbunden,
die im Fehlerfall abgeschaltet wird, wobei der Anker des Schaltmagne ten 14 durch
eine Rückstellfeder
stromlos in geöffnetem
Zustand gehalten wird. Die Vorrichtung besteht aus einer Spindelmutter 20, die
durch den Stift 13 an einer Rotation (23) und
einer Translation (24) gehindert wird. Den Stift 13 bildet
der Stößel des
Schaltmagneten 14.
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Die
Spindelmutter 20 weist eine Längsnut 21 und eine
Vertiefung 22 auf. Im Fehlerfall wird der Stift 13 aus
der Vertiefung 22 gezogen und greift lediglich noch in
die Längsnut 21 ein,
wodurch zwar eine Rotation (23) der Spindelmutter 20 verhindert
wird, deren Axialverschiebung jedoch ermöglicht wird. Der Steuerschieber 3 kann
dadurch, dass die Spindelmutter 20 in dieser Position des
Stiftes 13 axial verschiebbar ist durch die Feder 15 in
die Fail-Safe Position verschoben werden.
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Derartige
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtungen
mit BLDC-Schrittmotoren 42 können als Positionierantriebe
für Steuerschieber 3 eines
hydraulischen Ventils 1 eingesetzt werden.
-
- 1
- Ventil
- 2
- Schiebergehäuse
- 3
- Steuerschieber
- 4
- Antriebsvorrichtung
- 5
- Kupplung
- 6
- Achse
- 7
- Gleichstrommotor
- 8
- Motorgehäuse
- 9
- Stator
- 10
- Rotor
- 11
- Lager
- 12
- Gewindespindel
- 13
- Hemmung
- 14
- Schaltmagnet
- 15
- Federn
- 20
- Spindelmutter
- 21
- Längsnut
- 22
- Vertiefungen
- 23
- Drehpfeil
- 24
- Doppelpfeil
- 30
- Sollwertgeber
- 31
- Verstärkungsstufe
- 32
- Stellglied
- 33
- Antrieb
- 34
- mechanische
Last
- 35
- elektrische
Energieversorgung
- 36
- hydraulische
Energieversorgung
- 40
- einstellbares
Potentiometer
- 41
- Verstärker
- 42
- BLDC-Schrittmotor
- 43
- Schaltvorrichtung
- 44
- 4/3-Wege-Ventil
mit Zwischenstellungen
- 45
- Antriebszylinder
- 46
- Masse
- 47
- Feder
- 48
- Zylinder
- 50
- elektrische
Energiezufuhr
- 51
- Schalter
- 52
- Prozessor
- 53
- Watchdog
- 54
- Dioden
- 55
- Statorwicklungen
- 56
- Positionssensor
- 57
- hydraulischer
Positionsgeber