DE1928143A1

DE1928143A1 - Servoventil mit axial bewegbarem Ventilkolben

Info

Publication number: DE1928143A1
Application number: DE19691928143
Authority: DE
Inventors: Vanderlaan Robert D; Lappin Richard J
Original assignee: Pneumo Dynamics Corp
Current assignee: Pneumo Dynamics Corp
Priority date: 1968-06-17
Filing date: 1969-06-03
Publication date: 1969-12-18
Also published as: US3550631A

Description

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Eneümo Dynamics Corporation, 3781. East 77th Street, Cleveland, Ohio / USA

Servoventil mit axial ."bewegbarem Ventilkolben

Die Erfindung betrifft ein Servoventil mit axial bewegbarem Kolben und insbesondere eine neuartige Antriebseinrichtung zum Betätigen des Ventilkolbens ohne jegliches Nacheilen desselben aufgrund eines mechanischen toten Spieles und ohne daß irgendwelche seitliche Reibungskräfte auf den Ventilkolben ausgeübt werden.

Es gibt viele Fälle, in denen ein Servoventil einen Druck und eine Strömung über einen weiten Bereich übertragen können muß, beispielsweise wenn das Servoventil verwendet wird, um die Bewegung eines hydraulischen Motors über einen Geschwindigkeitsbereich von etwa 5 bis etwa 7200 Upm zu steuern, wobei diese Geschwindigkeiten in jeder Richtung einer Steuersignalspannung über den gesamten Steuerbereich proportional sein müssen. Wenn die gewünschte Genauigkeit bei einer derartigen Vorrichtung aufrechterhalten werden soll, kann ein mechanisches·totes Spiel ebenso wie eine Reibung zwischen dem Ventilkolben des Servoventiles und der Antriebseinrichtung desselben nicht hingenommen werden.

Für diesen Fall ist es nicht möglich, den Ventilkolben starr mit der Welle eines Schaltmotores mit Hilfe einer langen dünnen Hohlwelle zu verbinden,, weil jede Hohlwelle, die genügend flexibel ist, um die gewünschten vernachlässigbar kleinen reibung serzeugenden Seitenbelastungen auf den Ventilkolben auszuüben, nicht steif genug wäre, um die maximal erforderlichen

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Ausgangskräft· des Sehaltmotores aufzunehmen, die 4-» 3 kg übersteigen, können.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Antriebseinrichtung des Ventilkolbens eines Servoventiles derart zu verbessern, daß sie die benötigten verhältnismäßig hohen Ausgangskräfte oder Ausgangsbelastungen aufnehmen kann, während gleichzeitig ein totes Spiel oder ein sonstiges Spiel zwischen dem Betätiger des Ventilkolbens und dem Ventil kolben selbst weitgehend vermieden wird.

W_eiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Kolbenventil den Antrieb des Ventilkolbens derart zu verbessern, daß die Stellen möglicher mechanischer Reibung zwischen dem Ventilkolbenbetätiger und dem Ventilkolben selbst so gering wie möglich gehalten werden, und wobei an diesen wenigen Stellen die maximal mögliche Reibung unter Kontrolle gehalten wird.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinrichtung für den Ventilkolben zu schaffen, die in ihrer Art ver- . ". hältnismäßig einfach ist, eine billige Konstruktion aufweisen kann und die leicht herzustellen, zusammenzubauen und einzustellen iet.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, im Ventilkolben einen Kolben vorzusehen, der gegen eine Seite des Ventilkolbenbetätigers gedrückt oder gepreßt werden kann, um somit jeglichen toten Gang oder jegliches axiales Spiel aufzuheben. Eine mit der entgegengesetzten Seite des Ventilkolbenbetätigers in Berührung kommende Einstellschraube kann so eingestellt werden, daß man einen vorbestimmten Abstand vor dem Betätigen des Kolbens erhält, wodurch das Zusammenbauen des gesamten Ventiles erleichtert und die Möglichkeit von Beschädigungen ausgeschaltet wird. Der Ventilkolbenbetätiger besitzt einen kugelförmigen Abschnitt, der an flachen oder · zylindrischen Flächen des Kolbens und der Einstellschraube

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zur Anlage kommt, um seitliche Reibungsbelastungen aufgrund der Toleranzen der einzelnen Bauteile aufzuheben. Wenn zylindrische Flächen verwendet werden, sollte deren Radius etwas größer als der Kugelradius des mit denselben zur Anlage kommenden kugelförmigen Abschnittes des Ventilkolbenbetätigers sein, um eine Punktberührung zu gewährleisten.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungabei spiele eines erfindungsjgemäß ausgestalteten Servoventiles dargestellt, und zwar zeigt

Pig. 1 einen Längsschnitt durch ein Servoventil mit einer Betätigungseinrichtung für den Ventilkolben gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Pig· 2 einen Teilausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und

Pig. 3 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht, teilweise geschnitten, einer abgewandelten Aus- - führungsform der Betätigungseinrichtung für den Ventilkolben.

In Fig. 1 ist ein Servoventil 1 zu erkennen, das ein Gehäuse 2 mit axialer Bohrung 3besitzt. In diese axiale Bohrung 3 münden in üblicher Weise über ihre Länge verteilt eine zentrale EinlaBbohrung 4, beidseits dieser Einlaßbohrung zwei Auslaßbohrungen 5 und 6 und außerhalb dieser Auslaßbohrungen 5 und 6 zwei Rückflußbohrungen 7 und 8» In die Einlaßbohrung 4· ist eine Filterscheibe 9 eingesetzt und wird von einem Haltering 19 in der gewünschten Lage gehalten.

In der axialen Bohrung 3 befindet sich ein zusammengesetztes Ventil 10, das eine Hülse 11 mit einem axial in derselben bewegbaren Ventilkolben 12 enthält. Die Hülse 11 wird von einem Stopfen 13 in der gewünschten Lage gehalten, der in eine Gegenbohrung 14 derart eingesetzt ist, daß sein inneres Ende 15 gegen einen nach außen vorstehenden Flansch 16 der Hülse 11

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gedrückt wird, damit dieser flansch 16 auf einer Anschlagschulter 17 am Übergang zwischen der Gegenbohrung 14 und der Bohrung 3 aufliegt. Der Stopfen 13 ist beispielsweise mit .»;..". Schraubenbolzen 18 oder sonstiger geeigneter Befestigungselemente am Gehäuse 2 befestigt.

Die Hülse 11 ist mit einer Viel zahl von im axialen Abstand voneinander angebrachten äußeren Nuten 20, 21 und 22 versehen, die mit der Einlaßbohrung 4 und den Auslaßbohrungen 5 und 6 und mit dem Inneren der Hülse 1T radiale Öffnungen 23, 24 und 25 in Verbindung stehen. Geeignete Dichtungen 26, die sich in auf der Außenseite der Hülse 11 befindlichen Buten 27, 28, 29 und 30 befinden, verhindern, daß das Strömungsmittel entlang der Außenseite der Hülse 11 zwischen den Bohrungen 4 bis 8 in unerwünschter Weise hindurchtreten kann.

In der in der Zeichnung dargestellten neutralen Stellung lie—. gen in axialem Abstand voneinander angeordnete Schultern des Ventilkolbens 12 über den radialen Öffnungen 24 bzw. 25* die zu den Auslaß bohrung en 5 bzw. 6 führen, wodurch verhindert wird, daß eine Verbindung zwischen den Auslaß bohrung en 5 und 6 und der Einlaßbohrung einerseits und eine Verbindung zwischen den Auslaßbohrungen und Rückflußbohrungen 7 und 8 andererseits besteht. Wenn der Ventilkolben 12 in Fig. 1 axial nach links verschoben wird, erhält man eine Verbindung zwischen der Einlaßbohrung 4 und der Auslaßbohrung 5 und außerdem zwischen der Auslaßbohrung 6 und der Rückflußbohrung 8, während eine Bewegung des Ventilkolbens 12 nach rechts eine Verbindung zwiechen der Einlaßbohrung 4 und der Auslaßbohrung 6 einerseits und zwischen der Auslaßbohrung 5 und der Rückfluß bohrung 7 andererseits erzeugt. Dies geschieht in bekannter Weise* Die axialen Bewegungen des Ventilkolbens 12 werden von einer Ventilkolbenantriebseinrichtung 35 gesteuert, die beim Ausführung Bbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 einen Schaltmotor 36 mit einer praktisch nicht flexibelen Abtriebswelle 37 aufweist, die durch miteinander fluchtende Öffnungen 38 und 39 im Ge-

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hause 2 und dem Stopfen 13 hindurehragt, so daß ihr einen kugelförmigen Kopf 40 aufweisendes Ende in einer Querbohrung 41 im äußeren Ende des Yentilkolbens 12 liegt. Dieser eine kugelförmige Außenseite besitzende Kopf 40 liegt an einer Seite am flachen Kopf 43 eines kleinen Kolbens 44 an» der in eine axiale * Bohrung 45 des Yentilkolbens 12 eingesetzt ist. Auf der anderen Seite liegt der kugelförmige Kopf 40 an dem flachen Ende 46 einer Einstellschraube 47 an, die in eine im Ventilkolbeh 12 befindliche axiale Gewindebohrung 48 eingeschraubt ist.

Bevor das Servoventil 1 zusammengesetzt wird, stellt man die Einstellschraube 47 so ein, daß ein kleiner vorbestimmter Abstand von etwa 0,025 bis 0,076 mm zwischen dem flachen Kopf des Kolbens 44 und dem kugelförmigen Kopf 40 der Motorabtriebswelle 37 vorhanden ist, wenn der flache- Kopf 43 am äußeren En- ■ de der Bohrung 45 anliegt. Nachdem das Servoventil zusammengesetzt worden ist, wird es unter Druck gesetzt, so daß der Einlaßdruck auf das innere Ende des Kolbens 44 über eine in die Bohrung 45 mündende Bohrung 50 und eine zwischen den Schultern 31 und 32 am Yentilkolben 12 vorgesehene ringförmige Hut 51 wirkt, wodurch der Kolben 44 gegen den kugelförmigen Kopf 40 der Motorabtriebswelle 37 mit einem vorbestimmten Druck gedrückt wird, so daß jeglicher mechanischer tote Gang oder jegliches axiales Spiel zwischen diesen beiden !eilen aufgehoben ist.

Gleichzeitig wird jegliche seitliche Reibungsbelastung des Ventilkolbens wegen des Kontaktes der zueinander, parallelen Flächen am Kopf 43 des Kolbens 44 und am Ende 46 der Einstellschraube 47 mit der kugelförmigen Außenseite des Kopfes 40 der Abtriebswelle 37 vermieden, so daß die Abtriebswelle 37 jederzeit derart bewegt werden kann, daß Toleranzänderungen in der Querrichtung ausgeglichen werden können. Der Einfluß axialer Toleranzen der einzelnen Bauteile kann beim Einstellen des Ventiles auch dadurch aufgehoben werden, daß man den

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Schaltmotor 36 auf dem Gehäuse 2 in axialer Richtung einstellt.

Die Reibung zwischen dem Kolben 44 und der Abtriebswelle 37 des Schaltmotores 36 wird dadurch auf einem Minimum gehalten, daß man die vom Kolben 44 auf die Motorabtriebswelle ausgeübte Belastung klein hält. Diese Belastung braucht nur ein Bruchteil der Kraft zu sein, die vom Schaltmotor erzeugt werden kann, da sie nur etwas größer zu sein braucht als die Kraft, die man benötigt, um den Ventilkolben 12 in seiner Hülse 11 zu verstellen. Beispielsweise kann die auf den Kolben ausgeübte Belastung etwa 0,9 kg für einen Speisedruck von 105 kg/cm sein, während der Schaltmotor eine Kraft von wenigstens 4» 3 kg erzeugen kann. Sollte aufgrund von Schmutz oder Schlamm in der Betätigungs-" flüssigkeit eine größere Kraft als 0,9 kg zum Verschieben des Ventilkolbens 12 benötigt werden, gleitet der Kolben 44 im Ventilkolben 12 um die Strecke des ToIeranzabstandes, im vorliegenden Falle von etwa 0,025 bis etwa 0,076 mm, wonach der Kolben und der Ventilkolben zusammen weiter bewegt werden,; so daß die volle Kraft des Schal tmotores auf den Ventilkolben ausgeübt werden kann, um denselben zu lösen.

Um den Ventilkolben 12 zu betätigen, wird in den Schaltmotor 36 ein Steuersignal eingegeben, das bewirkt, daß die Abtriebswelle 37 um ihr Gelenk 52 entweder nach links oder nach rechts verschwenkt wird, so daß eine entsprechende axiale Bewegung des Ventilkolbens 12 in derselben Richtung erfolgt. Wenn die Motorabtriebswelle 37 maximal ausgeschwenkt ist, hat sich der an ihrem Ende befindliche kugelförmige Kopf 40 um eine Strecke d_ von etwa 0,003 mm gehoben, was in lig. 2 übertrieben groß dargestellt ist. Wenn man den diametralen Abstand P zwischen dem Kolben 44 und dem Ventilkolben 12 etwas größer als die/"-Strecke d_ macht, kann der Kolben 44 im Bereich dieses Abstandes "schwimmen", so daß Reibungskräfte zwischen dem kugelförmigen Kopf 40 und dem Kopf 43 des Kolbens 44 auf ein Minimum herabgesetzt werden können.

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Der Abstand P zwischen dem Kolben 44 und dem Ventilkolben 12 kann verhältnismäßig groß sein, ohne .daß spürbare Leckverluste auftreten, weil der Kolben verhältnismäßig lang ist. Sollten sich in dem durch den Abstand P bedingten Raum Schlamm oder sonstiger Schmutz ablagern, so wird hierdurch die Ventil funktion nicht beeinträchtigt, da der Kolben normalerweise den Ventilkolben nicht bewegen muß. Wenn der Abstand P sehr groß ist, können der Kolben 44 und der Ventilkolben 12 austauschbar sein, ohne daß man die einzelnen-Teile genau passend aufeinander abstimmen müßte*

Wenn die vom .Schaltmotor 36 abgegebenen Kräfte etwa 4,5 kg oder weniger betragen, sind die flachen Flächen des Kolbenkopf ee 43 und der Einstellschraube 47 ausreichend, um seitliche Reibungskräfte auszuschalten. Wenn jedoch größere Kräfte vom Schaltmotor abgegeben jwerden, bildet man vorzugsweise die Stirnflächen 60 und 61 des Kolbenkopfes und der Einstellschraube zylinderförmig aua/wie Figo 3 zeigt,, wobei außerdem der kugelförmige Kopf 40* der Abtmebmtelle 57 etwas seitlich gegenüber der Achse des Kolbens 44^J unö der umstell schraube 47* ist, so daß fehlerhafte Ausrichtung der Teile in der Querebene aufgrund von !Peiletoleranzen keine seitlichen Reibungsbelastungen auf den Ventilkolben ausüben. Im übrigen ist die Konstruktion des Ventilkölbens 12* gemäß J¹Ig. 3 weitgehend gleich wie gemäß Fig. 1, so daß gleiche Teile auch mit gleichen Positionsziffern bezeichnet sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung für den Ventilkolben praktisch einen toten Gang oder ein sonstiges Spiel zwischen der Abtriebswelle des Schaltmotores und dem Ventilkolben ausschaltet, wobei außerdem die Stellen, möglicher Reibung zwischen diesen Teilen und aueh die Größe der Reibung an diesen Stellen verringert wird. Außerdem ist die Antriebseinrichtung für den Ventilkolben verhältnismäßig einfach und billig ausgebildet und kann leicht hergestellt, zusammengesetzt und eingestellt werden.

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Claims

Pat entans prüche

(I.Servoventil mit einem Gehäuse, das eine Vielzahl von Durchlaßkanälen für hydraulische Flüssigkeit aufweist und einen* in diesem Gehäuse axial verschiebbaren Ventilkolben besitzt, um wahlweise Verbindungen zwischen einzelnen Durchlaßkanälen herstellen oder unterbrechen zu können, dadurch gekennzeichnet, daß zum axialen Bewegen des ■■ Ventilkolbens (12) eine Antriebseinrichtung (35) vorgesehen ist, die einen langgestreckten Ventilkolbenbetätiger (37) aufweist, der in eine Querbohrung (41) des Ventilkolbens hineinragt, wobei sich in einer axialen Bohrung (45) des Ventilkolbens (12) ein Kolben (43, 44) befindet, der in die Querbohrung hineinragt, und wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um den Kolben (44) gegen eine Seite des Ventilkolbenbetätigers (37) zu drücken, um ein axiales Spiel zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilkolbenbetätiger im Betrieb ' auszuschalten.
2. Ventil nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Bohrung (48) des Ventilkolbens (12) auf der anderen Seite des Ventilkolbenbetätigers (37) eine Einstellschraube (47) vorgesehen ist, welche so eingestellt werden

• kann, daß zwischen dem Ventilkolben und dem Ventilkolbenbetätiger ein kleiner vorbestimmter Abstand verbleibt, der durch Druckbetätigung des Kolbens (44) aufgehoben oder überbrückt wird.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Drücken des Kolbens (44) in Berührung mit dem Ventilkolbenbetätiger (37) eine radiale Bohrung C50) im Ventilkolben (12) vorgesehen ist, die mit der axialen Bohrung (45) in Verbindung steht und somit die Rückseite des Kolbens (44) mit einer Druckmittelquelle in Verbindung bringt.
4. Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolbenbetätiger (37)

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einen kugelförmigen Kopf (40) "besitzt, der an einander gegenüberliegenden Seiten mit parallelen flächen (43, 46) des Kolbens (44) und der Einstellschraube (47) in Verbindung kommt, um Reibungskräfte unter Belastung zu verhindern.
5. Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, da^sdurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolbenbetätiger (37) einen kugelförmigen Kopf (40·) besitzt, der an einander gegenüberliegenden Seiten mit zylindrischen Flächen des Kolbens (44¹) und der Einstellschraube (47¹) in Berührung kömmt, um seitliche Reibungskräfte unter Belastung zu verhindern·
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Kopf (40*) in Querrichtung zur Achse des Kolbens (44¹) und der Einstellschraube (47') versetzt ist, so daß eine Verschiebung dieser Teile in Querrichtung zueinander aufgrund von Teiletoleranzen keine seitlichen Reibungskräfte auf die Einrichtung ausübt.
7· Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolbenbetätiger (37) verschwenkbar angeordnet ist, um eine entsprechende axiale Bewegung des Ventilkolbens (12) hervorzurufen, wobei der Kolben (44) ein diametrales Spiel (P) im Ventilkolben hat, das größer als das maximale Ansteigen (d) des Ventilkolbenbetätigers aufgrund seiner Verschwenkbewegung ist, so daß der Kolben (44) in seiner Bohrung "schwimmen" und .Gleitreibung zwischen dem Ventilkolbenbetätiger und dem Kolben verringert oder verhindert werden kann.
8. Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (44) gegen den Ventilkolbenbetätiger (37) mit einer Kraft gedrückt wird,, die nur etwas' größer" als die ' zum Verschieben^des, Ventijkplbens (,12) im Gehäuse (i")^-erforderliche Kraft ist.

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