DE1500239A1 - Scheibenventil,insbesondere zur Verwendung in hydraulischen Servo-Anlagen - Google Patents

Description

• Schiebeventil, insbesondere zur Verwendung in hydraulischen Servo-Anlagen Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Servo-System und ein zur Verwendung in diesen Systemen geeignetes Schieberventil. In einer hydraulischen Servo-Anlage wird die Strömung des hydraulischen Mittels zu einem Stellglied im allgemeinen durch ein Schieberventil gesteuert, dessen zylindrischer Schieber erhöhte Flächen aufweist, die mit Öffnungen zusammenwirken, welche in der Wandung des Ventilkörpers oder in einer eine Auskleidung des Ventilkörpers bildenden Hülse vorgesehen sind. Die Anordnung der erhöhten Flächen und der Öffnungen ist so getroffen, daß in der neutralen Stellung des Ventiles die Öffnungen durch die erhöhten Flächen geschlossen sind und eine kleine Verschiebung des Ventilschiebers. in der einen oder anderen Richtung eine Strömung des hydraulischen Mittels in der einen oder anderen Richtung durch das Stellglied herbeiführt. Die Öffnungen sind normalerweise von kreisrundem Querschnitt. Um eine lineare Beziehung zwischen der Schieberbewegung und der hydraulischen Strömung zu erzielen, ist manchmal die Anordnung so getroffen, daß die Sitzflächen die Ventilöffnungen urterlappen, d.h. daß sie etwas schmaler sind als der Durchmesser der Öffnungen. Dies führt dazu, daß das Ventil in der neutralen Stellung einen geringen hydraulischen Austrittsverlust hat, deb aber gewöhnlich ohne Bedeutung ist.
• Die hydraulische Verstärkung des Ventils, d.h. die Strömung pro Einheit der Schieberverstellung, steht im umgekehrten Verhältnis zu der Verstärkung der übrigen Teile der Servo-Schleife, die gewöhnlich elektrischer Art sind, da die Gesamtverstärkung ein durch die Erfordernisse der Stabilität und .der dynamischen Empfindlichkeit des Systems bestimmter Faktor der Auslegung ist.
• Die elektrische Verstärkung in einem elektrohydraulischen Servo-System bestimmt gewöhnlich die statischen Fehler des Systems und wegen der Genauigkeit der Einstellung, z.B. in.einer hydraulischen Stellanlage, muß die elektrische Verstärkung möglichst hoch sein, wobei die hydraulische Verstärkung entsprechend klein ist. Andererseits wird die Schnelligkeit des Ansprechens auf größere Fehlersignale bestimmt durch den Durchfluß des Ventils und in bezug auf diese größere Signale ist es vorteilhaft, wenn die hydraulische Verstärkung groß und die@elektrische-Verstärkung entsprechend niedrig ist. Grund-.sätzlich ist es möglich"--die Verstärkung des Ventils bei verschiedenen . Verschiebungen durch geeignete Gestaltung der Öffnungen zu regeln, praktisch ist es jedoch schwierig, Öffnungen, die von der Kreisform abweichen, mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen. Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Ausbildung eines hydraulischen Ventils von herkömmlicher Bauart mit nichtlinearer Ansprechkennlinie und-ein ein solches Ventil enthaltendes Servo-System zu schaffen.
• Gemäß der Erfindung ist in einem Schieberventil jeder Sätz von Ventilöffnungen für die hydraulische so ausgebildet, daß wenigstens eine Öffnung kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, welcher die Breite der Schiebeflächen etwas übersteigt, aufweist, und wenigstens eine Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser, der kleiner ist, als die Schiebeflächen. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Öffnungen jeder Größe vorgesehen und symmetrisch um die Schieberachse angeordnet, um unausgeglichene radiale Kräfte zu vermeiden.
• In Betrieb sind bei sehr kleinen Verschiebungen nur die größeren, nicht überlappenden Öffnungen wirksam und ergeben eine lineare Ansprechkennlinie in der üblichen Weise. Bei zunehmender Verschiebung werden die Öffnungen geringer Größe mehr und mehr freigegeben und vergrößern die hydraulische Verstärkung des Ventils* Die Erfindung ist insbesondere bei elektro-hydraulischenVcntilen anwendbar, bei welchen der Ventilschieber durch einen Drhemoment-Motor entweder direkt oder über eine Pilotstufe bewegt wird und die elektrische Antriebsschaltung einen Verstärker mit nichtlinearer Ansprechkennlinie enthalten kann, z.B. um die Ventilkennlinie zu kompensieren und eine im wesentlichen konstante Verstärkung der offenen Schleife für das gesamte System Für die meisten Anwendungen .werden gewöhnlich zwei Größen der Ventilöffnung ausreichend sein, jedoch kann die Anzahl von Öffnungen jeder Größe entsprechend der besonderen geforderten Kennlinie geändert werden. . Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 einen Schnitt des hydraulischen Teiles eines elektre-hydraulischen Servo-Ventiles gemäß der Erfindung, Figur 2 eine Abwicklung eines Satzes von Öffnungen, welche die Strömung der abgehenden Flüssigkeit regeln Nach Figur 1 besteht das Ventil aus dem Ventilkörper 1, in weichem eine mittlere Hülse 2 stramm sitzend eingepaßt ist. In dieser Eülse sind Ventilöffnungen des Hauptventils eingebohrt, welche Kanäle für die Zuführung der hydraulischen Flüssigkeit aufweisen. In der Hülse 2 ist der zylindrische Schieber 3 des Hauptventils angeordnet, der zwei vorspringende Sitzflächen 4, 5 aufweist, die mit den Öffnungen 6 bzw. 7.in der Hülse zusammenwirken, Die hydraulische Druckflüssigkeit wird durch den Kanal $ in den Raum zwischen den Sitz-* flächen des Schiebers eingeführt und zu einem Behälter bei niedrigem Druck aus den Räumen g und 10 außerhalb der Sitzflächen abgelassen, wobei die Sitzflächen 4 und 5, die mit den Öffnungssätzen 6 und zusämmenwirken, die Flüssigkeitsströmung zu einem hydraulischen Stellglied oder Motor regeln; eine Verschiebung des Ventilschiebers gestattet den Zufluß der Druckflüssigkeit in einen Satz der Öffnungen, die von dem Stellglied oder Motor zurückkehrende Flüssigkeit geht von dem anderen Satz Öffnungen zu dem Behälter. Insoweit ist dieser Teil des Ventils in herkömmlicher Weise ausgebildet.
• Gemäß der Erfindung sind die Öffnungen 6 und 7 so ausgebildet und angeordnet, wie dies in der Abwicklung derFigur 2 veranschaulicht ist. Wie Figur 2 zeigt, bestehen die Öffnungen aus zwei Öffnungen 14, 15, deren Durchmesser größer ist als die Breite W der Ventilsitzfläche 16 und zwar um einige Zehntausendstel bis zu einigen Tausendstel von 1 Zoll, je nach der Größe des Ventiles. Zwischen den größeren Öffnungen 14 und 15 sind zwei Reihen von je drei kld_neren Öffnungen 17, 1ß, 19 von einheitlicher Größe vorgesehen, deren Achsen alle in derselben Ebene liegen, deren Durchmesser jedoch etwas kleiner ist als die Breite W der Sehiebersitzfläche 16.
• Das gezeigte Ventil ist ein Zweistufenventil, bei welchem der Schieber an einem Ende ausgebohrt ist und eine Hülse 11 aufnimmt, in welcher ein kleinerer Schieber 12 arbeitet, der ein zweites Pilotventil innerhalb des Hauptschiebers bildet. Das andere Ende des Hauptventilschiebers ist ausgebohrt und nimmt einen Ausgleichskolben 13 auf,. dessen inneres Ende dem hydraulischen Hauptdruck ausgesetzt ist. Das äußere Ende dieses Kolbens liegt, wenn das Ventil an Ort und Stelle eingebaut ist, gegen einen (nicht gezeigten Anschlag. per Raum zwischen Schieber 3 und Hülse 2 ist durch einen Flanschring 20 geschlossen, der Öffnungen für die hydraulische Flüssigkeit aufweist. Der Schieber j besitzt außerdem eine weitere vorstehende: -Sitzfläche 21 und der Raum zwischen dieser Sitzfläche 21 und dem Ende des Ringes 20 bildet einen weiteren hydraulischen Zylinder, welchem Flüssigkeit durch Öffnungen je nach der Stellung des Pilotventilschiebers 12'zugeführt werden kann. Die Fläche dieses ringförmigen Zylinders ist so gewählt, daß sie doppelt so groß ist, wie die Fläche des Querschnitts des Ausgleichskolbens 13. Ein nicht gezeigter Drehmoment-Motor ist vorgesehen, um den Pilotventilschieber 12 in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangssignal zu bewegen. Wenn der Pilotventilschieber 12 sich in seiner neutralen Stellung befindet, ist der Druck in dem ringförmigen Raum zwischen Ring 20 und Sitz 21 halb so groß, wie der Druck der zugeführten Flüssigkeit und er wird gerade ausgeglichen durch den Zuführungsdruck, der auf den Ausg7dchskolben 13 einwirkt, der die halbe Querschnittsfläche aufweist.
• Im Betrieb wird - wenn dem Drehmoment-Motor ein elektrisches Signal zugeführt wird - der Schieber 12 des Pilotventils verschoben, wodurch der hydraulische Druck in dem ringförmigen Raum ansteigt oder absinkt und demgemäß der Hauptventilschieber 3 so verschoben wird, daß dr der Bewegung des Pilotventilschiebers 12 folgt.
• Bei sehr kleiner Verschiebung des Hauptventilschiebers werden die kleineren Öffnungen 17,18,19 der Figur 2 nicht freigegeben und die größeren Öffnungen 14,15 wirken in normaler Weise, wobei eine -geringe Unttrlappung eine lineare Änderung der Strömungsmenge zur Folge hat. Wenn die Vechiebung weiter ansteigt, werden die Ränder der kleineren Öffnungen 17, 18, 19 durch die Sitzflächen 4 und 5 freigegeben, wodurch die Strömungsmenge weiter ansteigt. Bei einem gemäß der Erfindung gebauten Ventil zur Verwendung bei einem Druck von ca. 200 at und einer maximalen Strömungsmenge von ca. 0,18 m3 pro Minute hatte die Bohrung des Ventilkörpers ca. 1,81em, die Breite der Sitzflächen 0,254 cm und das Ventil war mit zwei Ringreihen von Öffnungen ausgestattet, von denen jede aus vier Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,264 cm und 12 Löchern mit einem Durchmesser von Q2388 an besteht, deren Achsen sich in den Mittelebenen der Sitzflächen in der neutralen Stellung befinden. Für dieses Ventil beträgt das Verhältnis der Verstärkung bei maximalem Ventilhub zu derjenigen bei neutraler Ventilstellung'6 : 6.
• Bei einem weiteren Beispiel eines gemäß der Erfindung für ein höheres Verstärkungsverhältnis und eine maximale Strömungsmenge von 0,27 m3 pro Minute ausgelegten Ventils waren die Abmessungen ähnlich, ;jedoch bestand jede Ringreihe der Öffnungen aus zwei Bohrungen mit dem größeren Durchmesser und 22 Bohrungen mit dem kleineren i?urchmesser. Dieses Ventil hatte ein Verstärkungsverhältnis von 19 : 6.
• Das Servo-Ventil kann durch eine elektrische Schaltung bettätigt werden, die entweder einen nicht linearen Verstärker oder eine nicht lineare Korrekturstufe enthält, die die Änderung der hydraulischen Verstärkung des Ventils bei Verschiebung kompensiert und auf diese Weise die Verstärkung der offenen Schleife des System im wesentlichen konstant hält.
• Die lineare Kennlinie des Ventils wird nur durch die Verwendung von kreisförmigen Öffnungen erzielt, die in bekannter Weise sehr genau und reproduzierbar hergestellt werden können.

Claims (2)

1. F a t e n t a n s p r ü c h e 1. Hydraulisches Schieberventil mit nichtlinearer Kennlinie und zwei Säten von Steueröffnungen für die hydraulische Flüssigkeit, dadurch g e k e n n z, e i c h n e t , daß alle Öffnungen kreisförmigen Querschnitt haben und jeder Satz von Öffnungen (6, 7) wenigstens eine Öffnung (l4, 15) mit einem Durchmesser, der die Breite der Schiebersitzflächen (16) etwas übersteigt, und wenigstens eine Öffnung (17, 18, 1g), deren Durchmesser die Breite der Schiebersitzflächen (16) unterschreitet, aufweist.
2. 2. Ventil nach Ansprach 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß jeder Satz von Öffnungen wenigstens zwei Öffnungen (14, l5) und (17, 18, 19) mit jeweils verschiedener Größe aufweist, wobei die Öffnungen jeder Größe um die Schieberachs4 symmetrisch verteilt sind.