DE102008008978B3 - Antriebsvorrichtung für einen Steuerschieber eines hydraulischen Ventils - Google Patents

Antriebsvorrichtung für einen Steuerschieber eines hydraulischen Ventils Download PDF

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    • F16K31/047Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor characterised by mechanical means between the motor and the valve, e.g. lost motion means reducing backlash, clutches, brakes or return means

Abstract

Eine Antriebsvorrichtung (4) für einen Steuerschieber (3) eines hydraulischen Ventils (1) soll so verbessert werden, dass sichergestellt ist, dass sich der Steuerschieber im Fehlerfall in einem als "sicher" definierten Zustand befindet. Dazu wird vorgeschlagen, dass ein Getriebe zur Wandlung einer Drehbewegung in eine translatorische Bewegung während des Betriebs ortsfest, und im Fehlerfall axial verschiebbar gehalten wird, so dass eine Feder (15) das Getriebe und den damit verbundenen Steuerschieber in die Fail-Safe-Position verschieben kann.

Description

  • 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.
  • 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.
  • Die Steuereinheit in Kombination mit dem permanent magnetisch erregten, elektronisch kommutierenden Gleichstrommotor wird im Folgenden kurz BLDC-Motor genannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einem Einsatz von Direktantrieben mittels Motoren kann unter Verwendung eines selbsthemmenden Getriebes auch ein fehlersicherer Ruhezustand realisiert werden.
  • 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.
  • 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.
  • Die bekannten Lösungen lassen allerdings nicht erkennen, wie eine Fail-Safe Position sicher erreicht wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Antriebsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß können die Lager Gleitlager sein, wobei eines der Lager durch die Lagerung des Steuerschiebers gebildet sein kann.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß kann die Schaltvorrichtung aus einer Spindelmutter als Hemmung bestehen, die durch den Stift an einer Rotation und Translation gehindert wird.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß kann der Gleichstrommotor permanent erregt sein.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den mechanischen Aufbau einer erfindungsgemäßen direkten Steuerung für ein 4/3-Wege-Ventil,
  • 2 einen Schnitt der erfindungsgemäßen direkten Steuerung gemäß Linie B-B in der 1,
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der in den 1 und 2 dargestellten Hemmung,
  • 4 die prinzipielle Wirkungsweise der direkten Steuerung des 4/3-Wege-Ventils und
  • 5 die elektrische Schaltung der direkten Steuerung des 4/3-Wege-Ventils.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An dem Prozessor 52 ist weiterhin die Schaltvorrichtung 43 angeschlossen, die im Fehlerfall die Achse des BLDC-Schrittmotors 42 freigibt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (12)

  1. Antriebsvorrichtung (4) für einen Steuerschieber (3) eines hydraulischen Ventils (1, 44), der mechanisch mit dem Ventil (1, 44) gekoppelt ist, mit einem elektronisch kommutierenden Gleichstrommotor (7), der einen Stator (9) und einen Rotor (10) aufweist, dessen Achse (6) – in axialer Richtung fest mit dem Steuerschieber (3) verbunden, – mit einer Gewindespindel (12) versehen und – mittels zweier Lager (11) in axialer Richtung derart gelagert ist, dass der Rotor (10) mit geringem Kraftaufwand verschiebbar ist, mit einer mit dem Stator (9) des Gleichstrommotors (7) verbundenen Schaltvorrichtung (Hemmung 13, Schaltmagnet 14), die im normalen Betrieb als Getriebe mit der Gewindespindel (12) in Eingriff bringbar ist, so dass die Drehbewegung (23) des Rotors (10) in eine lineare Bewegung (24) des Steuerschiebers (3) umsetzbar ist, mit einer elektrischen Steuervorrichtung (Prozessor 52) zur Ansteuerung der einzelnen Phasen des Gleichstrommotors (7), mit der während des Betriebs Informationen über die aktuelle Position des Steuerschiebers (3) bereitgestellt werden, wobei während eines Stör- oder Fehlerfalles der Kraft- und Formschluss zwischen der Schaltvorrichtung (13, 14) und der Gewindespindel (12) aufgehoben wird, der Rotor (10) mit dem Steuerschieber (3) in axialer Richtung (24) verschiebbar ist und wenigstens eine Feder (15) den Rotor (10) und den damit verbundenen Steuerschieber (3) in eine als sicher erkannte Position oder als sicher erkannten Zustand des Ventils (1, 44) verbringt.
  2. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) in seiner Lagerung im Inneren des Stators (9) um mindestens den Hub des Steuerschiebers (3) ohne Kraftverlust axial verschiebbar ist.
  3. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftschluss zwischen der Schaltvorrichtung (13, 14) und der Gewindespindel (12) durch einen Schaltmagneten (14) im normalen Betrieb bewirkt wird, der über die elektrische Steuervorrichtung (52) erregt wird und im stromlosen Zustand die Gewindespindel (12) freigibt.
  4. Antriebsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Lager (11) Gleitlager sind.
  5. Antriebsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Lager (11) durch die Lagerung des Steuerschiebers (3) gebildet wird.
  6. Antriebsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hemmung (13) der Schaltvorrichtung (13, 14) zum Eingriff in die Gewindespindel (12) durch einen Stift gebildet wird.
  7. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift der Stößel des Schaltmagneten (14) ist.
  8. Antriebsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmagnet (14) mit der Versorgungsspannung des Gleichstrommotors (7) verbunden ist, die im Fehlerfall abgeschaltet wird, wobei der Anker des Schaltmagneten (14) durch eine Rückstellfeder stromlos in geöffnetem Zustand gehalten wird.
  9. Antriebsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hemmung (13) der Schaltvorrichtung (13, 14) als Spindelmutter (20) ausgebildet ist, die durch den in Wirkstellung befindlichen Stift an einer Rotation (23) und Translation (24) gehindert wird.
  10. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (20) eine Längsnut (21) mit wenigstens einer Vertiefung (22) aufweist, in die der Stift wechselweise einzugreifen vermag.
  11. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift im Fehlerfall in die Längsnut (21) eingreift, so dass eine Rotation (23) der Spindelmutter (12) unterbunden ist, und im Betriebsfall in eine Vertiefung (22) eingreift, so dass zusätzlich eine Translation (24) der Spindelmutter (20) verhindert wird.
  12. Antriebsvorrichtung (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor (7) permanent erregt ist.
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