DE1650559B1

DE1650559B1 - Steuereinrichtung fuer druckmittelgesteuerte Ventilsysteme

Info

Publication number: DE1650559B1
Application number: DE19671650559
Authority: DE
Inventors: Kurt Staehle
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 1967-09-08
Filing date: 1967-09-08
Publication date: 1970-02-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für druckmittelgesteuerte Ventilsysteme mit einem durch den Druck in stirnseitigen Druckräumen betätigbaren Hauptsteuerkolben, dessen Druckbeaufschlagung durch ein elektromagnetisches Hilfsventil gesteuert wird, das aus zwei einander gegenüberliegenden Düsen und einem dazwischen angeordneten länglichen Verschlußteil besteht, welches die zu den Druckräumen gehörenden Leitungen beherrscht, sowie mit je einer weiteren Leitung für die Druckräume, die vom Hauptsteuerkolben beherrscht werden.
Es sind Steuereinrichtungen bei Zwei-Punktschaltsystemen bekannt, bei denen durch eine Druckbeaufschlagung die Betätigung eines elektromagnetischen Ventils erleichtert und durch Schaltung des Hilfsventils das ankommende Druckmittel gesteuert wird (deutsche Patentschrift 1 239 156, schweizerische Patentschrift 416 252, deutsche Patentschrift 763 594 und deutsche Auslegeschrift 1046 968).
Analog arbeitende Systeme sind bekannt, bei denen das Druckmittel über Steuerdüsen gegen die Prallplatte fließt, wobei die Rückführung über in der Gehäusewand befindliche Offnungen und Steuerkanten erfolgt (deutsche Patentschrift 1095 607).
Auch sind Steuereinrichtungen in analog arbeitenden Systemen bekannt, bei denen der Zulauf des Druckmittels in den Raum zwischen den Düsen und um das Verschlußteil herum mündet, so daß das Verschlußteil mit den Düsen den Zulauf dieses Druckmittels zu den Druckkammern steuert (USA: Patentschrift 2 824 574). Eine Ausnutzung der Strömungsenergie zur Erhöhung der Verstärkung und des Frequenzganges ist bei dieser Einrichtung nicht möglich, da sich die Düsen druckabhängig bewegen.
Bei anderen analog arbeitenden Systemen ist die Wirkungsrichtung der Kraft gegen die Stellkraft des Verschlußteils gerichtet (beispielsweise USA.-Patentschriften 2 625136 und 2 775 254). Dies wirkt sich aber dämpfend aus, so daß ein Energieverlust vorhanden ist.
Die bekannten druckmittelgesteuerten Ventilsysteme dieser Art dienen meistens als Servo- oder Steuerventile. Sie weisen den Nachteil eines verhältnismäßig schlechten Frequenzverhaltens auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für ein druckmittelgesteuertes Ventilsystem zu schaffen, bei der die erwähnten Nachteile nicht vorhanden sind und bei der durch Ausnutzung der Strömungsenergie eine wesentliche Erhöhung der Verstärkung und des Frequenzganges gegenüber den bekannten Systemen erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verschlußteil des elektromagnetischen Hilfsventils die Zuleitung des Druckmittels zu den Druckräumen durch die Düsen und der Hauptsteuerkolben die Ableitung des Druckmittels aus den ' Druckräumen durch die Auslaßöffnungen beherrscht.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene positive Rückkopplung des Hilfsventils auf das Verschlußteil wird ein Teil der Strömungsenergie der Eingangssteuerkraft in gleicher Richtung überlagert, so daß zusätzlich die Eingangsverstärkung und der Wirkungsgrad des Hilfsventils erhöht werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Uateransprüchen. Diy Zeichnung veranschaulicht schE2matisch zwei Ausführun gsheispiele der Erfindung;. Ezeigt F i g. 1 einen Schnitt eines druckmittelgesteuerten Ventilsystems einer erfindungsgemäßen Ausführung, F i g. 2 einen Schnitt eines druckmittelgesteuerten Ventilsystems einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung, F i g. 3 Darstellung zur Erläuterung der Ilauptsteuerkolben-Auslenkung, F i g. 4 einen Schnitt eines Hilfsventils-F i g. 5 und 6 sind Blockschaltbilder.
In F i g. 1 bedeutet 1 ein zungenartiges Verschlußteil, das durch einen Drehmotor T antreibbar ist. Das Verschlußteil 1 ist zwischen zwei als Einlaßöffnungen dienenden Düsen 2 und 2' eines Hilfsventils 1, 2 und 2' angeordnet, durch welche das Druckmittel P zugeführt wird und welche über Druckräume 3, 3' mit den als Düsen ausgebildeten Auslaßöffnungen 6 und 6' in Verbindung stehen. Je nach Stellung des Hauptsteuerkolbens 4 und des Verschlußteils 1 entsteht in den Druckräumen 3 und 3' eine Druckdifferenz, welche den Hauptsteuerkolben 4 so lange verstellt, bis über die Auslaßöffnungen 6, 6' Druckgleichheit in den Druckräumen 3, 3' geschaffen ist. Mit h ist der senkrechte Abstand zwischen den kegelförmigen Enden des Hauptsteuerkolbens 4 und den entsprechenden Auslaßöffnungen 6, 6' bezeichnet.
Der Druck ist bei der dargestellten Mittelstellung des Betätigungsorgans 1 .in den Druckräumen 3, 3' gleich. Die Abstände h zwischen den konischen Enden des Hauptsteuerkolbens 4 und den Auslaßöffnungen.. 6, 6' sind bei' dieser Stellung ebenfalls gleich.
Durch Anlegen eines Stromes an den Steuerspulen wird das Verschlußteil 1 aus seiner bisherigen Lage herausgebracht, dadurch entsteht ein unterschiedlicher Abstand zwischen den Einlaßöffnungen 2, 2' und dem Verschlußteil 1. Die Strömungswiderstände werden an diesen Stellen unterschiedlich hoch, und die Drucke in den Druckräumen 3, 3' verändern sich entsprechend der Widerstandsänderung an den Düsen 2, 2'. In der Ubergangsphase wird eine zusätzliche Kraft in Stellrichtung des Verschlußteils 1 wirksam, die jedoch nur so lange wirksam bleiben kann, bis über die Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 4 an den Auslaßöffnungen 6, 6' wieder ein Druck-Gleichgewicht in den Druckräumen 3, 3' geschaffen ist. In der Folge sind die Gesamtströmungswiderstände über die Einlaßöffnungen 2 und die Auslaßöffnungen 6 sowie über die Einlaßöffnung 2' und die Auslaßöffnung 6' in ihrer Summe immer gleich, so daß im Gleichgewichtszustand die wirksamen Kräfte auf das Verschlußteil 1 immer zu Null werden.
In F i g. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei dem die Rückführung der Bewegung des Hauptsteuerkolbens 4 über eine Düsenprallplattenanordnung erfolgt, die aus einer um einen Drehpunkt 5' ortsfest gelagerten Prallplatte 5 besteht.
F i g. 3 veranschaulicht das Arbeitsprinzip. Die Steilheit der Steuerdruckkurve ist ausschließlich abhängig vom Düsen-Drosselverhältnis, d. h. in diesem Falle, dall jede Änderung der Stellung des Betätigungsglieds die Steilheit der Kennlinien verändert. Bei dem in F i g. 3_ gezeigten Beispiel ist das VerschlußteiUam Drehmotor zur Einleitung eines Regelvorganges nach links verstellt.
Das Drossel-Düsenquerschnittsverhältnis hat sich dadurch auf der linken Seite vergrößert und auf der r`cl-.ten Seite verhIeinen (neue Kannlinien sind gestßicpäe.lt). Die StcaaerdrHücY_c an den Kolhenenden unterscheiden sich nunmehr um den Differenzdruck 1P, welcher den Kolben nach links in Bewegung versetzt. Diese Bewegung verengt infolge der Rückführung den Austrittsquerschnitt auf der linken Seite und vergrößert den Austrittsquerschnitt auf der rechten Seite. Die Druckdifferenz verkleinert sich über den zurückgelegten Weg und ist nach der Kolbenverschiebung um Ih gleich Null. Der Regelvorgang ist damit beendet.
Die Steuerdrücke an den Kolbenenden sind nach Beendigung des Regelvorganges nicht nur gleich groß, sondern in ihrer absoluten Größe genauso groß wie vor der Einleitung des -Regelvorganges.
F i g. 4 läßt erkennen, daß an dem Verschlußteil 1 des Drehmotors an den Flächen F, und F, die Steuerdrücke P, (links und 1; (rechts) herrschen.
Da durch die Auslenkung des Verschlußteils nach links während des Regelvorganges der Steuerdruck P, < P, ist, erhält das Verschlußteil zusätzlich eine die Auslenkung unterstützende Kraftkompo- nente von der Größe: F,_, - (P, -1',), welche sich als positive Rückwirkung auswirkt, wobei P die Drücke und F die Druckflächen bedeutet.
Das Blockschaltbild nach F i g. 5 mit der daran anschließenden Gleichungskette zeigt die mathematische Ableitung der Frequenzganggleichung.
Hierbei bedeutet Weg r der durch die Rückkopplung erzeugte Weg des Betätigungsglieds, Weg e der resultierende Steuerweg des Betätigungsglieds, Weg x,. der durch das Steuersignal erzeugte Weg des Betätigungsgliedes.

F, ist der Frequenzgang der Hauptsteucrstufe, FZ ist der Frequenzgang der mechanischen Rückführung von der Hauptsteuerstufe auf die Vorsteuerstufe, F; ist der Frequenzgang der Rückkopplung, und F, ist der Frequenzgang der Steuerdrosselstelle gemäß F i g: 4.

Legt man die Verstiürkungsfaktoren von K3 und K,

so aus, daß

K; - Ni == 1 .

dann werden beide Zeitglieder Null.

Das Frequenzverhalten bei Einhaltung dieser Be-

dingungen ist dann für den Vorsteuerkreis und die

Hauptsteuerstufe linear

Diese Tatsache wirkt sich vornehmlich hei Servo-

ventilen mit großen Durchflüüssen ausgezeichnet aus.

In der vorausgegangenen Frequenzhetrachtung

sind die Einflüsse der Strömungskräfte auf den

Hauptsteuerkolben nicht berücksichtigt.

Aufstellung des Blockschaltbildes nach F i g. 6 für

die Frequenzganggleichung einschließlich der durch

die Strömungskräfte bedingten Einflüsse.

Hierbei bedeutet Fi den Frequenzgang der Steuer-

charakteristik des 11auptsteuerkolhens, während I,

den Frequenzgang der axialen Druckkomponente

auf den 11auptsteuerkolben. bedingt durch die dy-na-

inische Strömungsenergie. bedeutet. Q ist der Druck-

mitteldurchfluß.

Das Blockschaltbild zeigt, (laß der Druck aln Aus-

gang voll l', negativ sein inuß. 11111 (fas Gesamtsystem

stabil zu halten.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen

Steuereinrichtung für druckinittelgesteuerte Ventil-

systeme besteht unier anderem darin. daß durch die

positive Rückkopplung die Wirkungskräfte nicht rich-

tungsabhängig sind. %ondern daß diese in jedem Fallt.'

Nirksaill %ierden und nur als dynamische Kenngrüße

betrachtet «erden können. Durch die zusätzliche

Fnergicgcwinnung wird eine Erhöhung der Verstär-

kung und des Frequenzganges erreicht.

Claims

Patentansprüche: 1. Steuereinrichtung für druckmittelgesteuerte Ventilsvsteine mit einem durch den Druck in stirnseitigen Druckräumen betätigharen Haupt- steuerkolhen, dessen Druckbeaufschlagung durch ein elektromagnetisches Hilfsventil gesteuert wird, das aus z«ci einander gegenüberliegenden Düsen und einem dazwischen angeordneten länglichen Verschlußteil besteht. «elclies die zu den Druck- räumen gchfirenden Leitungen beherrscht, sowie mit je einer weiteren Leitung für die Druckräume. die vom Hauptsteuerkolben beherrscht werden. dadurch gekennzeichnet, daß das Ver- schlußtcil (1) des elektromagnetischen Hilfsventils (1. 2, 2') die Zuleitung des Druckmittels zu den Druckräumen (3. 3') durch die Düsen (2. 2') und der Hauptsteucrkolhen (4) die Ableitung des Druckmittels aus den Druckräumen (3, 3') durch die Atisl@ißiiffnungen (6, 6') beherrscht. 2. Stcuereinriclitung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß am Hauptsteuerkolhen (4) beidseitig Konen angebracht sind. die unmittelbar die Auslzißiiffiinngcn (6.6') beeinflussen. 3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß die Ausiaßöffnungen (6, 6") von einer zu iscliengeschalteten Prallplatte (5). deren Position über die Stellung des llatiptstctici*- kolhens (4) und eine einseitige Lagerung an'einem Drellpunkl (5') bestimmt ist. gesteuert sind.