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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Druckregelventil zur Steuerung eines vorgebbaren Solldrucks an einem Regeldruckanschluss, umfassend einen elektromagnetischen Aktor zur Betätigung eines in einem Ventilgehäuse untergebrachten Regelgliedes zur wechselweisen Verbindung des Regeldruckanschlusses mit einem Speisedruckanschluss oder einem Entlüftungsanschluss nach Maßgabe einer Regelabweichung zwischen Istdruck am Regeldruckanschluss und dem vorgegebenen Solldruck.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung ist die Fluidtechnik. In der Hydraulik und insbesondere der Pneumatik werden Druckregelventile innerhalb eines fluidischen Systems zur Einstellung eines gewünschten Solldrucks in einem druckmittelbetriebenen Aktuator, beispielsweise einem Druckmittelzylinder verwendet, um beispielsweise eine Lagepositionierung durchzuführen. Das diesbezügliche Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Handhabungstechnik innerhalb von automatisierten Anlagen.
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Die Druckregelventile der hier interessierenden Art kommen allerdings auch überall dort zum Einsatz, wo ein unabhängig vom Durchfluss und der Höhe des Versorgungsdrucks geregelter Druck gefordert ist. Allgemeine Anwendungen derartiger Ventile liegen in der Erzeugung einstellbarer, konstanter oder definiert veränderlicher mechanischer Kräfte, die über einen korrespondierenden Aktuator erzeugt werden, wobei die konstante druckproportionale Kraft einen geregelten, konstanten oder definiert veränderlichen Systemdruck erforderlich macht. Neben der Anwendung von prinzipiell konstanten Drücken erlauben Druckregelventile die Erzeugung vorgegebener Druckprofile, wobei das Druckregelventil dabei elektrische Ansteuersignale in Druckmittelströme und -drücke umwandelt.
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Aus der
DE 10 2004 044 770 B3 geht ein Druckregelventil hervor. Das hier als elektropneumatisches Druckregelventil ausgebildete Gerät besteht prinzipiell aus einer Magnetspule zur linearen Betätigung eines Regelgliedes, wobei ein mit dem Regeldruckanschluss verbundenes Wegeventil nachgeschaltet angeordnet ist, um eine spezielle fahrzeugtechnische Anwendung zu realisieren. Durch die Magnetspule wird die Betätigung eines innenliegenden Vorsteuerkolbens ein Ventilschieber axial bewegt, wodurch über Öffnen oder Schließen von Ventilsitzen der Regeldruckanschluss entweder mit einem Speisedruckanschluss oder einem Entlüftungsanschluss verbunden wird. Ventilintern ist insoweit hier eine 3/2-Ventilfunktion verwirklicht. Eine integrierte Rückstellfeder verbindet im stromlosen Zustand der Magnetspule den Regeldruckanschluss mit dem Entlüftungsanschluss. Eine Abschlussstellung ist hier nicht vorgesehen, in welcher der Regeldruckanschluss weder mit dem Speise- noch mit dem Entlüftungsanschluss verbunden ist.
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Bei diesem Stand der Technik erscheint die Vielzahl der ventilmechanischen Bauteile, welche die Druckregelung durchführen von Nachteil. Bei der vorstehend beschriebenen Bauform ist aufgrund des binären Schaltprinzips bei vielen Anwendungen nur eine mangelhafte Regelgüte machbar. Aus dem allgemeinen Stand der Technik gehen daher auch Druckregelventile hervor, welche mit einem so genannten Proportionalmagneten als Aktor ausgerüstet sind, um anstatt binärer Schaltvorgänge eine stufenlose Änderung der Öffnungsquerschnitte des Druckregelventils zu ermöglichen, um hierdurch eine höhere Regelgüte zu erzielen. Allerdings ist diese Regelungstechnik recht aufwendig.
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Aus der
DE 199 46 679 A 1 geht ein gattungsgemäßes Druckregelventil mit einem Regelglied hervor, das als ein im Ventilgehäuse drehbar gelagerter Drehschieber ausgestaltet ist. Das von der
DE 199 46 679 A 1 offenbarte Druckegelventil dient der Regelung von verhältnismäßig großen Luftvolumenströmen und/oder Querschnitten, bspw. für Eisenbahnbremssysteme. Der Drehschieber ist zur Abdichtung gegenüber dem ihm umgebenden Ventilgehäuse mit Gleitringdichtungen, jeweils bestehend aus einer als Gleitring ausgebildeten Dichtung und einem gesonderten, zum Anpressen der jeweiligen Dichtung dienenden Druckelement, ausgebildet. Die von der
DE 199 46 679 A 1 offenbarte technische Lösung ist daher konstruktiv verhältnismäßig kleinteilig und aufwändig.
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Die
EP 0 884 282 A2 offenbart eine Ventileinheit mit mehreren über korrespondierende Seitenflächen aneinandergereihten Ventilen. Die
DE 10 2008 040 975 A1 offenbart ein Steuerungssystem zum Steuern eines Stellglieds mit einem Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung eines Drosselventils. Die
US 2009/0189110 A1 offenbart einen Ventilbetätiger mit magnetischen Winkelsensoren, bei dem ein Magnet an einer zwischen einem Ventil und einem Elektromotor verlaufenden Welle befestigt ist. Die
DE 10 2008 043 689 A1 offenbart eine Ventilzeitabstimmungsvorrichtung, bei welcher zur Erfassung des Ist-Drehwinkels einer Motorwelle Sensormagneten an der Motorwelle installiert sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckregelventil zur Regelung eines vorgebbaren Solldrucks an einem Regeldruckanschluss zu schaffen, das mit einem als im Ventilgehäuse drehbar gelagerten Drehschieber ausgestalteten Regelglied ausgebildet ist und mit dem durch wenig Bauteilaufwand eine hohe Regelgüte erzielbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Regelglied eines elektropneumatischen Druckregelventils in Form eines im Ventilgehäuse drehbar gelagerten Drehschiebers mit elastomeren Dichtkanten ausgebildet ist, welcher durch einen Elektromotor als elektromagnetischen Aktor winkelverstellbar ist, um den Regeldruckanschluss wahlweise mit dem Speisedruckanschluss zur Belüftung oder den Entlüftungsanschluss zur Entlüftung nach Maßgabe der Regelabweichung zu verbinden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass durch Rückgriff auf das Prinzip eines Drehschiebers eine zur Druckregelung günstige Betätigung machbar ist, welche sich mittels eines Elektromotors einfach realisieren lässt. Durch entsprechende Sensortechnik erfolgt eine zielgenaue Winkelverstellung des Drehschiebers gemäß des die Regelabweichung erfordernden Stellwerts. Hierdurch lässt sich eine hohe Regelgüte erreichen. Da die Anzahl der miteinander zu montierenden Einzelbauteile des erfindungsgemäßen Druckregelventils sehr gering ist, sinkt der Herstellungsaufwand entsprechend. Alle die Ventilmechanik betreffenden Teile können effizient im Spritzgießverfahren hergestellt werden.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein Positionssensor die aktuelle Winkelstellung des Regelgliedes misst und die gemessene Winkelstellung an eine elektronische Regeleinheit weiterleitet. Die elektronische Regeleinheit empfängt außerdem das von einem im Bereich des Regeldruckanschlusses integrierten Drucksensor ermittelte Signal des Istdrucks und dient vornehmlich dazu, anhand eines ebenfalls eingangsseitig zugeführten Sollwerts die Regelabweichung zu ermitteln, um ein geeignetes elektrisches Stellsignal an den Aktor zu liefern. In erster Linie berücksichtigt der Regelalgorithmus istwertseitig zwar den gemessen Istdruck, jedoch ist es von Vorteil, zusätzlich auch die aktuelle Winkelstellung des Regelgliedes zu berücksichtigen, um eine besonders hohe Regelgüte zu erzielen und ggf. Korrekturen der Winkelstellung des Regelgliedes vorzunehmen, beispielsweise zwecks Kalibrierung auf die genaue Abschlussstellung.
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Gerätetechnisch lässt sich der vorstehend beschriebene Positionssensor vorzugsweise zwischen dem Ventilgehäuse und dem elektromagnetischen Aktor anordnen. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauform des elektropneumatischen Druckreglers erzielt und der Positionssensor steht nicht beschädigungsgefährdet aus der Hüllgeometrie des Druckregelventils hervor.
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An der besagten bevorzugten Stelle wirkt der Positionssensor vorteilhafterweise mit einem sich in Richtung Aktor erstreckenden Antriebsabschnitt des Regelgliedes zusammen. Das Regelglied besteht in dieser Ausführungsform ansonsten aus einem koaxial in Richtung Ventilgehäuse sich erstreckenden Schaltabschnitt. Mit dem Schaltabschnitt erfolgt das druckvermittelnde Schalten zwischen dem Regeldruckanschluss und dem Speisedruckanschluss bzw. dem Entlüftungsanschluss, welches an späterer Stelle eingehender beschrieben werden wird.
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Der Positionssensor zur Ermittlung der Winkelstellung des Regelgliedes kann verschiedenartig ausgeführt werden. Zum Einen ist es denkbar, den Positionssensor als inkrementellen Winkelmesssensor so auszubilden, dass dessen Inkrementscheibe oder Inkrementring ortsfest am Antriebsabschnitt des Regelgliede befestigt ist und mit einem - je nach Messprinzip - optischen oder induktiven Detektor in an sich bekannter Weise zusammenwirkt. Der Abstand der einzelnen Inkremente an der Inkrementscheibe bzw. des Inkrementrings ist so zu wählen, dass eine hinreichend genaue Positionierung des Regelgliedes möglich ist.
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Um eine besonders genaue Positionierung des Regelgliedes zu erzielen, wird vorgeschlagen, den Positionssensor als einen analogen Winkelmesssensor auszuführen. Ein solcher analoger Winkelmesssensor kann beispielsweise nach Art eines Hallsensors oder eines Potentiometers ausgebildet sein. Im Falle eines Potentiometers kann an dem Außenumfang des Regelgliedes eine Widerstandsbahn aufgebracht werden, die mit einem gehäusefesten Schleifer abgegriffen wird, um die Winkelstellung des Regelgliedes je nach gemessenem Ohm'schen Widerstandswert festzustellen.
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Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Schaltabschnitt des Regelgliedes einen elastomeren Kurvenring aufweist, der in definierten Winkelstellungen des Regelgliedes gegenüber dem Ventilgehäuse die beim Druckregelventil vorgesehenen Druckmittelverbindungen dynamisch dichtend herstellt. Der elastomere Kurvenring kann dabei in einfacher Weise durch Zwei-Komponenten-Spritzgießen hergestellt werden und bildet somit gleichzeitig den Schaft des Schaltabschnittes. Alternativ ist es auch möglich den Kurvenring formschlüssig befestigt auf einen Schaft des Schaltabschnittes auf zuschieben.
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Das als Drehschieber ausgebildete Regelglieds ist vorzugsweise um eine die abgeschlossene Schaltstellung verkörpernde Mittelstellung mit einem Winkel von maximal +/- 90° schwenkbar. In diesem bevorzugten Bereich kann einerseits die Belüftung und andererseits die Entlüftung des Regeldruckanschlusses sicher realisiert werden und es lässt sich ein genügend großer Schaltweg zur sicheren Abtrennung zwischen den Schaltstellungen umsetzen, wobei dennoch der Schaltweg recht kurz bemessen ist, so dass auch ein relativ schnelles Umschalten möglich ist. Als elektromagnetischer Aktor für den Drehantrieb des als Drehschieber ausgebildeten Regelgliedes sollte vorzugsweise ein Elektromotor dienen, welcher kompaktbauend als Getriebemotor ausgebildet ist. Das im Getriebemotor integrierte Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, sollte dabei die Motordrehbewegung ins Langsame übersetzen. Hierdurch lässt sich ein recht hohes Schaltmoment erzeugen, das den Drehschieber zuverlässig zu bewegen imstande ist. Über Variation des Untersetzungsverhältnisses lässt sich zudem Einfluss auf die dynamische Steuerung des Regelgliedes nehmen. Ein geeigneter Getriebemotor besitzt motorseitig eine hohe Umdrehungszahl und wird von einem Getriebe untersetzt. Hiermit lassen sich die erforderlichen Drehmomente für die Drehschieberdichtung erzeugen.
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Da das erfindungsgemäße elektropneumatische Druckregelventil - wie vorstehend erläutert - recht kompaktbauend ausfällt, lässt es sich vorteilhafterweise auch in eine an sich bekannte Ventileinheit integrieren, die aus mehreren über korrespondierende Seitenflächen aneinander gereihten Schaltventile besteht. Es lässt sich hierdurch beispielsweise die Funktion eines so genannten Zwischenplatten-Reglers umsetzen. Herkömmliche elektropneumatische Druckregelventile konnten bauformbedingt nicht auf einen Ventilsteckplatz einer Ventileinheit untergebracht werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung mit einem Längsschnitt eines Druckregelventils und dessen elektrischer Ansteuerung.
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Gemäß Figur ist in einem Ventilgehäuse 1 aus spritzgegossenem Kunststoff teilweise ein Regelglied2 untergebracht, welches nach Art eines Drehschiebers ausgebildet ist. Je nach Winkelstellung verbindet das Regelglied 2 wechselweise einen Regeldruckanschluss 3 mit einem Speisedruckanschluss 4 zur Belüftung oder einen Entlüftungsanschluss 5 zur Entlüftung.
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Diese Schwenkbewegung des Regelgliedes 2 wird von einem elektromagnetischen Aktor 6 ausgeführt, welcher als Elektromotor ausgebildet ist. Der Elektromotor weist ein integriertes Getriebe auf und stellt damit einen elektrischen Getriebemotor dar. Der elektromagnetische Aktor 6 wird von einer elektronischen Regeleinheit 7 nach Maßgabe einer Regelabweichung zwischen einem per Drucksensor 8 im Bereich des Regeldruckanschlusses 3 gemessenen Istdrucks sowie einem von außen vorgegebenen Solldruck angesteuert.
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Darüber hinaus berücksichtigt der Regelalgorithmus auch die aktuelle Winkelstellung des Regelgliedes 2, welche durch einen Positionssensor 9 gemessen wird. Der Positionssensor 9 ist örtlich zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem elektromagnetischen Aktor 6 angeordnet und besteht im Wesentlichen aus einem am Außenumfang 10 des Antriebsabschnitts 11 des Regelgliedes 2 angebrachten Inkrementring 12, der mit einem induktiven Detektor 13 zusammenwirkt. Die Paarung von Inkrementring 12 und Detektor 13 bildet einen inkrementalen Winkelmesssensor, dessen Messwerte ebenfalls eingangsseitig der elektronischen Regeleinheit 7 zu dem vorstehend erläuterten Zweck zugeht.
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Neben dem Antriebsabschnitt 11 des Regelgliedes 2, welcher dem Aktor 6 zugeordnet ist, besitzt das Regelglied 2 einen sich hieran koaxial in Richtung Ventilgehäuse 1 erstreckenden Schaltabschnitt 14. Am Schaltabschnitt 14 des Regelgliedes 2 ist ein elastomerer Kurvenring 15 angebracht, der in definierten Wirikelstellungen des Regelgliedes 2 in über dem Ventilgehäuse 1 dynamisch dichtend wahlweise die Druckmittelverbindung zwischen dem Regeldruckanschluss 3 mit dem Speisedruckanschluss 4 oder dem Regeldruckanschluss 3 mit dem Entlüftungsanschluss 5 herstellt, um die bestimmungsgemäße Stellgliedfunktion im Regelkreis zu erfüllen.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sich. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle eines inkrementalen Winkelmesssensors einen analogen Winkelmesssensor einzusetzen, falls eine höhere Messwertauflösung erforderlich ist. Ferner ist die Erfindung trotz der hier beschriebenen Elastomerdichttechnik nicht beschränkt auf den Einsatz der Pneumatik. Durch geringfügige Anpassungsmaßnahmen der dynamischen Dichtungspaarungen lässt sich diese Lösung auch auf hydraulische Anwendungen adaptieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Regelglied
- 3
- Regeldruckanschluss
- 4
- Speisedruckanschluss
- 5
- Entlüftungsanschluss
- 6
- Aktor
- 7
- Regeleinheit
- 8
- Drucksensor
- 9
- Positionssensor
- 10
- Außenumfang
- 11
- Antriebsabschnitt
- 12
- Inkrementalring
- 13
- Detektor
- 14
- Schaltabschnitt
- 15
- Kurvenring
