DE19538596A1 - Piezoaktorbetätigtes Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil, das zum Betätigen eines Ventilelementes mindestens zwei piezoelektrische Stellelemente aufweist, die voneinander ge­ trennt eine mögliche, die Funktion des Steuerventils beeinträchtigende thermi­ sche Dehnung kompensieren.

Ein dahingehendes Steuerventil ist durch die DE 37 23 287 C2 bekannt. Bei diesem bekannten elektrisch betätigbaren Ventil zum Steuern von Fluidströmen mit einem Gehäuse und zwei von diesem umschlossenen, mit Anschlußelektro­ den versehenen Stellelementen aus piezoelektrisch reagierendem Werkstoff, wobei das jeweilige Stellelement als rotationssymmetrischer Körper mit paralle­ len Stirnflächen ausgebildet und in einem dementsprechend gestalteten Hohl­ raum des Gehäuses mit seiner Mantelfläche dichtend eingepaßt ist, besteht das eine Stellelement aus einem äußeren Ringkörper und das andere Stellelement aus einem inneren, in diesem dichtend eingepaßten Scheibenkörper, wobei die elektrischen Eigenschaften der Stellelemente derart gewählt sind, daß zwecks Ausbildung eines fluiddurchlässigen Spaltes unter Spannung der Scheibenkörper kontrahierend und der Ringkörper expandierend reagieren, wobei letzterer an seinem Außenumfang in radialer Richtung dichtend und elastisch abgestützt ist. Mit dieser bekannten Lösung ist die Steuerung größerer Durchflußmengen auf einfache Weise, bei baugrößenmäßiger Minimierung des Ventils und bei Unab­ hängigkeit desselben von der Umgebungstemperatur möglich. Piezoaktoren er­ bringen bei sehr hohen Kräften grundsätzlich nur sehr kleine Stellwege; Stell­ wegvergrößerer, die dies beseitigen können, müssen jedoch derart stark über­ setzen, daß die hohe Steifigkeit der Piezostapel verloren geht und damit die Dynamik des Systems massiv verschlechtert wird. Die in der DE 37 23 287 C2 beschriebene Möglichkeit, einen Spalt unmittelbar durch die piezoelektrischen Stellelemente für einen Fluiddurchlaß zu öffnen, ist mithin zur direkten Beein­ flussung von Fluidhauptströmen mit großen Fluidmengen nicht geeignet. Der an sich schon kleine Hub der Piezoaktoren wird darüber hinaus durch Stör­ effekte, wie mechanische Toleranzen, Reibung, thermische Dehnung und Klem­ mung des Aktors durch statische Drücke noch weiter beeinträchtigt und setzt die Funktionssicherheit des bekannten Ventiltyps herab.

Vergleichbares gilt für das Steuerventil nach der DE 42 20 177 A1, bei dem eine Antriebseinrichtung mit zwei piezoelektrischen Translatoren, die mit antiparalleler Wirkungsrichtung zwischen dem Grundkörper des Steuerventils und einem Betätigungshebel für das Ansteuern des Ventilelementes derart ein­ gespannt sind, daß sie gegenüber dem Grundkörper und dem Betätigungshebel jeweils um eine zur Schwenk- oder Kippachse des Betätigungshebels parallele Achse beweglich sind. Zwar kompensiert auch diese bekannte Lösung nicht­ elektrische Expansionseffekte, sofern sie auf einer Temperaturänderung beruhen und somit in beiden piezoelektrischen Stellelementen in Form von Stapeln gleichartig auftreten; allein alle Arten von Störeffekten lassen sich hierdurch nicht funktionssicher beheben und große Fluidmengen nicht verläßlich beherr­ schen.

Piezoelektrische Stellelemente oder Translatoren sind auch auf dem Gebiet des Ansteuerns von Hydraulikventilen hinreichend bekannt, wobei deren geometri­ sche Dimensionen mit Hilfe von elektrischer Ladung geändert werden können. Dies wird insbesondere durch einen inversen piezoelektrischen Effekt in spe­ ziellen keramischen Scheiben erreicht, bei dem ein elektrisches Feld in Polari­ sationsrichtung angelegt zu einer Längenänderung der jeweiligen Keramikschei­ be führt. Durch Aneinanderreihen mehrerer keramischer Scheiben, die von den Elektroden getrennt werden, sind entsprechend große Längenänderungen er­ reichbar.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Steuerventil mit piezoelektrischen Stellelementen zu schaffen, mit dem sich große Mengen eines strömenden Fluides beherrschen lassen, das un­ empfindlich gegen jedwede Art von Störeffekten funktionssicher im Betrieb ist und das sich unter anderem als Vorsteuerventil für Ventile, wie Wegeventile, oder als Feinstdrosselventil eignet. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Steuer­ ventil mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 das jeweili­ ge Stellelement sich mit einem Ende an einer Abstützfläche abstützt, die über ein elastisch nachgiebiges Verbindungsglied mit feststehenden Teilen des Steu­ erventils verbunden ist, daß das Verbindungsglied die Stellelemente radial um­ schließt, daß mindestens ein Stellelement sich an den feststehenden Teilen abstützt und zwischen diesen und der Abstützfläche angeordnet ist und daß ein anderes Stellelement das Ventilelement aufweist, wirkt das Verbindungsglied in der Art einer elastischen Feder und gleicht verschiedenste Störeffekte aus, indem das Verbindungsglied eine Kühlfläche für Ansteuerverluste in den piezo­ elektrischen Stellelementen bildet, eine mechanische Vorspannung mindestens eines Stellelementes erzeugt, mögliche Klemmkräfte kompensiert, ebenso wie die mögliche thermische Dehnung der Stellelemente bei gleichzeitiger Senkung der Haftreibung derjenigen Ventilteile, die von dem Ventilelement ansteuerbar sind.

Das Steuerventil kann in der Art eines Anbaumodules ausgeführt sein, das an bekannte Ventile oder Aktoren angeflanscht deren Ansteuerung übernimmt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein hydraulischer Verstärker realisiert, bei dem Stellweg und Stellkraft völlig voneinander entkoppelt sind. Die Anordnung kann mithin als reiner Kraftverstärker wirken, dessen Verstärkung unter ande­ rem nur von den Flächenverhältnissen zwischen dem Aktorstellelement und dem Ventilelement abhängt. Flächenverhältnisse vorgegeben durch das mittels des Steuerventils anzusteuernden Ventiles können hier ebenfalls mit einfließen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils ist das das Ventilelement aufweisende Stellelement von einem benachbart an­ geordneten Stellelement umfangsseitig derart umfaßt, daß zwischen den beiden Stellelementen ein durchgehender, mit Fluid befüllbarer Trennraum vorhanden ist. Durch den angesprochenen, mit Fluid befüllbaren Trennraum ist eine weite­ re Kühlmöglichkeit für die Stellelemente geschaffen und eine mechanische Ent­ kopplung zwischen denselben ist erreicht.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Steuerventils ist das Verbindungsglied ein Wellrohr, das an einem Ende die Abstützfläche für die Stellelemente aufweist und das an seinem anderen Ende mit den feststehenden Teilen verbunden ist, wobei zwischen dem Well­ rohr und dem benachbart angeordneten Stellelement ein weiterer mit Fluid be­ füllbarer Trennraum vorhanden ist. Das Verbindungsglied als elastisches Well­ rohr auszubilden, beeinflußt günstig die benötigten Federeigenschaften für das Verbindungsglied. Der gebildete weitere Trennraum, der mit Fluid befüllbar ist, dient ebenfalls der Kühlung des Steuerventils.

Sofern die jeweiligen Stellelemente sich vorzugsweise mit ihren der Abstützflä­ che entgegengesetzten Enden in Anlage mit polierten Anlageflächen der festste­ henden Teile und/oder des Ventilelementes befinden, sind völlig ebene Bezugs­ flächen für die beiden Stellelemente in Form der Piezoaktorstapel gebildet. Die polierten Anlageflächen bilden mithin eine genau definierbare Bezugsebene im Hinblick auf die Betätigungswege der Stellelemente aus, so daß eine Art "Ar­ beitspunkt" entsteht, der durch ein elektrisches Gleichfeld an mindestens einem Stellelement einjustierbar ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steu­ erventils haben alle Stellelemente eine gleiche Wirkrichtung, insbesondere eine expandierende, und verfügen über denselben thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten, wobei das von dem Wellrohr vorgespannte Stellelement mechanische Schwingungen ausführt. Da alle piezoelektrischen Stellelemente dieselbe Wirk­ richtung aufweisen, lassen sich diese leichter rechnerisch auslegen und insbe­ sondere ihr Hub einfacher ermitteln, wobei maximale Ansteuerspannung, der Elastizitätsmodul und die thermische Dehnung bekannt sein müssen. Sofern man das vorgespannte Stellelement durch ein kleines elektrisches Wechselfeld in eine mechanische Schwingung versetzt, kann diese in die Flüssigkeit einge­ leitet werden, mit der Folge, daß Verschmutzungen in den engen Steuerspalten des Ventils sich nicht festsetzen können und etwaige Ablagerungen wieder gelöst werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils weist das Ventilelement innerhalb der feststehenden Teile einen Ventilsitz auf, der über ein Festgelenk mit den feststehenden Teilen nachge­ bend bewegbar verbunden ist. Etwaig über das Ventilelement auf das zugeord­ nete Stellelement eingeleitete Kräfte, die ausreichen würden, dieses Stellele­ ment nachteilig zu verformen, lassen sich dann durch das angesprochene Fest­ körpergelenk ohne nachteilige Beeinflussung des Stellelementes in die festste­ henden Bauteile des Steuerventils einleiten.

Sofern das Steuerventil an bestehende Ventile und Ventileinrichtungen ange­ flanscht wird, wird vorzugsweise das Ventilelement als Vorsteuerkegel ausgebil­ det, der in seiner Öffnungsstellung eine fluidführende Verbindung zwischen einem Vorsteuerraum des Ventils und einem drucklosen Anschluß, insbesonde­ re einem Tankanschluß, sowie zwischen dem Vorsteuerraum und den beiden Trennräumen des Steuerventils herstellt. Durch Einbeziehen eines Vorsteuer­ raumes lassen sich mithin sehr große Fluidströme über nur kleine Zustellbewe­ gungen des Vorsteuerkegels mittels des zugeordneten Stellelementes bewerk­ stelligen.

Vorzugsweise wird das Steuerventil für Wegeventile, insbesondere Wege-Schie­ berventile, eingesetzt, wobei das Ventilelement auf einen Ventilschieber des Wegeventiles einwirkt, der eine fluidführende Verbindung zwischen einem druckführenden Anschluß und dem Steuerventil herstellt und wobei in Abhän­ gigkeit der Stellung des Ventilschiebers dieser mehrere fluidführende Anschlüs­ se innerhalb des Wegeventilgehäuses miteinander verbindet oder voneinander trennt. Wegeventile und insbesondere Wege-Schieberventile sind Ventile, in deren jeweiliger Gehäusebohrung ein Schieberkolben bewegbar angeordnet ist, der zum Trennen oder Verbinden von Ringräumen innerhalb des Gehäuses durch seine angesteuerte Bewegung dient. Die bekannten Wegeventile verfü­ gen über magnetgesteuerte Vorsteuerventile mit Vorsteuerkolben (Pilotventile) oder über eine Vorsteuerung mittels eines Torque-Motors, der ein Düsen-Prall­ plattensystem antreibt (Servoventile). Mit dem erfindungsgemäßen Steuerventil als Vorsteuerventil läßt sich die Ansteuerung des Schieberkolbens des Wege­ ventils für extrem schnelle Arbeitsgeschwindigkeiten auslegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wegeventils weist der Ventilschie­ ber einen Mittenkanal auf, der fluidführend an eine Druckpumpe anschließbar ist und der mit einer Blende oder einer Drossel versehen endseitig in minde­ stens eine Vorsteuerkammer des Steuerventils mündet. Auf diese Art und Weise kann Fluid aus der Druckleitung des Wegeventils durch den angesprochenen Mittenkanal und über die Blende oder Drossel in den Vorsteuerraum gelangen und dort die vorgesehene Verschiebebewegung des Schieberkolbens unterstüt­ zen oder bewirken.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Wegeventils ist an bei­ den Enden des Ventilschiebers jeweils ein Stellventil vorhanden, wobei der Kraftspeicher zwischen dem jeweiligen Ventilelement und dem zugeordneten Ende des Ventilschiebers angeordnet ist und wobei die beiden Kraftspeicher in der unbetätigten Stellung des Wegeventils den Ventilschieber in seiner Null- oder Mittelstellung halten. Auf diese Art und Weise läßt sich in beiden Verfahr­ richtungen des Schiebers das Wegeventil über die zugeordneten beiden Steuer­ ventile ansteuern. Es ist aber auch möglich, mit nur einem Steuerventil ein entsprechend zugeordnetes Wegeventil nur einseitig zu beaufschlagen und an­ zusteuern.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steu­ erventils ist ein Stellelement zum Öffnen und das andere Stellelement zum Schließen des Ventils mit elektrischer Spannung beaufschlagbar. Hierdurch kann eine Verdoppelung des Stellweges erreicht werden, wobei gleichzeitig der elektrische Wirkungsgrad sich erhöht, da man die elektrische Ladung zwischen den einzelnen piezoelektrischen Stellelementen für die voneinander getrennt ablaufenden Zustellbewegungen austauschen kann.

Bei einer weiteren anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Steuerventils gibt ein aktiviertes Stellelement bei dem jeweils nichtakti­ vierten anderen Stellelement die fluidführende Verbindung zwischen einem Pumpenanschluß und dem Steueranschluß frei, wobei bei umgekehrter Aktivie­ rung diese Verbindung geschlossen und eine fluidführende Verbindung zwi­ schen Steueranschluß und dem Tank freigegeben ist. Bei dieser Ausführungs­ form wird kein Steueröl verbraucht, um einen vorgebbaren Druck am Steuer­ ausgang halten zu können.

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Steuerventil anhand der Zeichnung nä­ her erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Wegeschieberventil, an dem end­ seitig zwei Steuerventile angeflanscht sind;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer geänderten Ausführungsform des Steuerventils;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Steuerventils.

Das jeweilige Steuerventil nach der Fig. 1 weist zum Betätigen eines Ventilele­ mentes 10 zwei piezoelektrische Stellelemente 12, 14 auf, die voneinander funktionell getrennt eine mögliche, die Funktion des Steuerventils beeinträchti­ gende thermische Dehnung kompensieren können. Das jeweilige Stellelement 12, 14 stützt sich mit seinem einen Ende an einer Abstützfläche 16 ab, die Teil einer massiven Bodenplatte 18 ist, die über ein elastisch nachgiebiges Verbin­ dungsglied in Form eines Wellrohres 20 mit feststehenden Teilen 22 des Steu­ erventils verbunden ist, die dem Anflanschen des jeweiligen Steuerventils an eine anzusteuernde, als Ganzes mit 24 bezeichnete Ventileinheit dienen. Das Wellrohr 20 umschließt die Stellelemente 12, 14 radial oder umfangsseitig und das zuäußerst angeordnete Stellelement 14 stützt sich an den feststehenden Teilen 22 des Steuerventils ab. Ferner erstreckt sich das Stellelement 14 in Längsrichtung zwischen der Abstützfläche 16 und einer Anlagefläche 26, die durch die feststehenden Teile 22 gebildet ist. Das andere Stellelement 12, das innerhalb des anderen Stellelementes 14 und innerhalb des Verbindungsgliedes 20 frei bewegbar geführt ist, stützt sich an einer endseitig durch das Ventilele­ ment 10 gebildeten Anlagefläche 28 ab, wobei ein Kraftspeicher 30 in Form einer Zentrier- oder Druckfeder das Ventilelement 10 auf seinem Ventilsitz 32, der durch die feststehenden Teile 22 gebildet wird, in der unbetätigten Stellung des Steuerventils hält.

Das mit dem Ventilelement 10 zusammenwirkende Stellelement 12 ist von dem benachbart angeordneten Stellelement 14 umfangsseitig derart umfaßt, daß zwischen den beiden Stellelementen 12, 14 ein durchgehender, mit Fluid be­ füllbarer erster Trennraum 34 vorhanden ist. Das Wellrohr 20, das an seinem einen Ende die Abstützfläche 16 für die Stellelemente 12, 14 aufweist und das an seinem anderen Ende mit den feststehenden Teilen 22 verbunden ist, umfaßt das jeweils zuäußerst angeordnete Stellelement 14 derart mit einem radialen Abstand, daß ein weiterer, mit Fluid befüllbarer zweiter Trennraum 36 gebildet ist. Die Anlageflächen 26 und 28 der feststehenden Teile 22 bzw. des Ventil­ elementes 10 sind poliert und bilden eine Art gemeinsam definierte Bezugs­ ebene aus. Alle verwendeten Stellelemente 12, 14 verfügen über eine gleiche expandierende Wirkrichtung, sobald über die Anschlußleitungen 38, die durch die jeweilige Bodenplatte 18 geführt sind, ein elektrisches Feld angelegt wird. Darüber hinaus verfügen alle verwendeten Stellelemente 12, 14 über denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zumindest das zuäußerst angeord­ nete Stellelement 14 führt mechanische Schwingungen aus, sobald eine ent­ sprechende Wechselspannung angelegt wird.

Das Ventilelement 10, das mit einem durch die feststehenden Teile 22 gebilde­ ten Ventilsitz 32 zusammenwirkt, ist in seiner Schließstellung und zusammen mit diesem Ventilsitz 32 über ein Festgelenk 40 mit diesen feststehenden Teilen 22 nachgebend bewegbar verbunden. Für den Erhalt des Festgelenkes 40 weist das jeweilige feststehende Teil 22 in seiner flanschartigen Verbreiterung eine Ringausnehmung 42 auf, die nach ihrer freien Seite hin in den zweiten Trenn­ raum 36 mündet und die den freien Materialquerschnitt der feststehenden Teile 22 derart schwächt, daß eine Art begrenzte Schwenkbewegung von Ventilsitz 32 mit Ventilelement 10 um den verbleibenden Materialquerschnitt des jeweili­ gen Festgelenkes 40 möglich ist. Alle bewegbaren Ventilbestandteile des Steu­ erventils sind vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und die Stellele­ mente 12, 14 bilden zylindrische Körper aus; sie können aber auch einen qua­ dratischen Querschnitt aufweisen und insbesondere das äußere Stellelement 14 kann aus Einzelstäben (nicht dargestellt) gebildet sein.

Wie insbesondere die Figur zeigt, ist das Ventilelement 10 als Vorsteuerkegel ausgebildet, der sich zu seinen beiden Enden hin konisch verbreitert und der in seiner nicht dargestellten Öffnungsstellung eine fluidführende Verbindung zwi­ schen einem Vorsteuerraum 44 des Ventils und einem drucklosen Anschluß, insbesondere einem Tankanschluß T, sowie zwischen dem Vorsteuerraum 44 und den beiden Trennräumen 34,36 herstellt. Der Vorsteuerraum 44 kann dem Steuerventil zugehören und mithin als Bauteil eines Moduls an übliche Ventil­ einheiten anflanschbar sein; er kann aber auch, wie im vorliegenden gezeigten Fall, Bestandteil der als Ganzes mit 24 bezeichneten Ventileinheit sein. Durch die konische Ausbildung des Vorsteuerkegels wird bereits bei einer geringen Zustellbewegung ein relativ großer freier Öffnungsquerschnitt zur Beherrschung von Fluidhauptströmen erzeugt.

Zur Herstellung der fluidführenden Verbindung zwischen dem Vorsteuerraum 44 und dem drucklosen Anschluß T dient ein Querkanal 46, der die Ringaus­ nehmung 42 fluidverbindend durchgreift und der endseitig der Ventileinheit 24 zugekehrt aus den feststehenden Teilen 22 herausführend ins Freie mündet. Zum Anschluß des jeweiligen Querkanals 46 an die Tankleitung T sind Ab­ schlußdichtungen 48 üblicher Art vorgesehen ebenso wie an der dichtenden Anschlußstelle beim Eingriff des Ventilelementes 10 in den Vorsteuerraum 44. Die Druck- oder Zentrierfeder 30 stützt sich an ihrem, dem Steuerventil zuge­ kehrten Ende an einem Aufnahmedorn des jeweiligen Vorsteuerkegels ab. Der angesprochene Vorsteuerkegel, die Druckfeder 30 und das mittlere Stellelement 12, das auch mit Steuerpiezo bezeichnet wird, bilden ein direkt getriebenes Sitzventil aus, das bei geeigneter Konstruktion in der Art einer Hubhilfe dafür sorgt, daß das Steuerventil bezüglich Strömungskräften kompensiert ist.

Sobald das Steuerventil geöffnet ist, gelangt das Fluid oder Steueröl aus dem Vorsteuerraum 44 und über den Querkanal 46 in die Tankablaufleitung T und die beiden Trennräume 34 und 36 werden mit Fluid befüllt. Das Wellrohr 20 bildet dann eine Art Feder aus, die darüber hinaus eine Kühlfläche für Ansteu­ erverluste in den Stellelementen 12, 14 bildet. Ferner bewirkt das Wellrohr 20 eine mechanische Vorspannung des jeweils äußeren Stellelementes 14, das in der Fachsprache auch mit Ditherpiezo bezeichnet wird. Bedingt durch die me­ chanische Vorspannung des Ditherpiezos 14, der Kompensation der möglichen thermischen Dehnung der Piezos 12, 14 und einer Klemmkraftkompensation mit Hilfe des Festkörpergelenkes 9 ist eine Kompensationseinrichtung geschaffen, die alle möglichen Arten von Störfaktoren eliminiert und mithin die Funktions­ sicherheit des Steuerventils gewährleistet, mit dem sich verschiedenste Venti­ laufgaben lösen lassen, insbesondere das Ansteuern von weiteren Ventileinhei­ ten. Um dies zu verdeutlichen wird im folgenden die Anwendung des Steuer­ ventils bei einem Wegeventil, im vorliegenden Fall in Form eines Wege-Schie­ berventils, näher erläutert.

Die in der Figur gezeigte Ventileinheit 24 zeigt ein Wege-Schieberventil, bei dem die übliche hydraulische und elektromechanische, kompliziert aufbauende Vorsteuereinrichtung entfallen ist. Beibehalten wurde ein stangenförmiger Ven­ tilschieber 50, der sich in einer Bohrung des Wege-Schieberventilgehäuses 52 in Längsrichtung erstreckt. Der Ventilschieber 50 weist vier Ventilscheiben 54 auf, die gegenüber der sonstigen Ventilstange 56 im Durchmesser verbreitert sind und paßgenau in die zugeordnete Gehäusebohrung längsbewegbar eingrei­ fen. Die im Durchmesser reduzierte Ventilstange 56 begrenzt Öffnungsräume, in die in der Figur gezeigten unbetätigten Stellung der Ventileinheit 24 die Anschlüsse T, A, P und B münden, wobei T für Tankanschluß, P für den druck­ führenden Pumpenanschluß und die Anschlüsse A und B für die Nutzanschlüs­ se stehen. Inmitten der Ventilstange 56 ist in Längsrichtung ein Mittenkanal 58 angeordnet, der über eine Bohrung 60 in druckführender Fluidverbindung mit der Pumpe P steht. Endseitig an dem Ventilschieber 50 tritt dann der Mitten­ kanal 58 aus der Ventilstange 56 aus und ist dort jeweils über eine Zulaufblen­ de 62 im freien Durchmesserquerschnitt verringert. Die jeweilige Druckfeder 30 stützt sich an ihrem, dem Vorsteuerkegel jeweils gegenüberliegenden Ende an einer mit dem Ventilschieber 50 zusammenwirkenden Halteplatte 64 ab, die im Durchmesser gegenüber der Gehäusebohrung mit der Ventilstange 56 einen verbreiterten Querschnitt aufweist und von der Ventilstange 56 endseitig durch­ faßt sich an der Außenseite des Ventilgehäuses abstützt. Bei einer Bewegung des Ventilschiebers 50 nach links oder rechts wird in der jeweiligen Bewe­ gungsrichtung die zugeordnete Halteplatte 64 über die Stirnseite der benach­ barten Ventilscheibe 54 mitgeführt und vom Gehäusesitz abgehoben, wobei die Zentrier- oder Druckfeder 30 gespannt wird.

Zum besseren Verständnis wird nunmehr das erfindungsgemäße Steuerventil bei seiner Anwendung für ein Wege-Schieberventil in der Art der als Ganzes mit 24 bezeichneten Ventileinheit näher erläutert. In der Ruhestellung halten die beiden Zentrierfedern 30 der links und rechts angeflanschten Steuerventile den Ventilschieber 50 in seiner in der Figur gezeigten Mittelstellung. Der Ditherpiezo 14 und der Steuerpiezo 12 einer jeden Steuerventileinheit sind so bearbeitet, daß die beiden der Ventileinheit 24 zugekehrten Enden in einer Be­ zugsebene liegen. Die mechanische Vorspannung des Steuerpiezos 12 eines je­ den Steuerventils durch die Zentrierfedern 30 ist dann gleich der Vorspannung des Ditherpiezos 14 durch Wellrohr 20 und Festkörpergelenk 40. Durch diese Ebenheit von Ditherpiezo 14 und Steuerpiezo 12 ist ein Arbeitspunkt gegeben der durch ein elektrisches Gleichfeld am Ditherpiezo 14 justierbar ist.

Bei Inbetriebnahme der Pumpe ist der Zulauf P fluid- und druckführend und über die beiden endseitig am Ventilschieber 50 angeordneten Zulaufblenden 62 füllt sich der jeweilige Vorsteuerraum 44 mit Drucköl und drückt den jewei­ ligen Vorsteuerkegel 10 in seinen zugeordneten Ventilsitz 32. Da beide Vor­ steuerräume 44 mit Drucköl beaufschlagt sind, entsteht kein Differenzdruck über den Stirnseiten des Ventilschiebers 50, so daß er in seiner Mittelstellung auch unter Druck verbleibt. Über den jeweiligen Vorsteuerkegel 10 wird auf den Steuerpiezo 12 dann derart eine Kraft ausgeübt, daß er ohne das Festge­ lenk 40 verformt würde, wobei die Kraft über die Bodenplatte 18 in das Well­ rohr 20 eingeleitet wird. Dies würde zwangsläufig zum Aufheben des Form­ schlusses zwischen Ditherpiezo 14 und den feststehenden Teilen 22 des Steuer­ ventils führen. Durch das bereits erläuterte Festkörpergelenk 40 ist dies aber vermieden. Da Ditherpiezo 14 und Steuerpiezo 12 aus dem gleichen Material sind und dieselbe Wirkrichtung haben, entsteht selbst bei nicht unerheblicher thermischer Dehnung kein unerwünschter Hub des Steuerpiezos 12. Versetzt man den Ditherpiezo 14 durch ein kleines elektrisches Wechselfeld in eine mechanische Schwingung, so wird diese über die feststehenden Teile 22, den Vorsteuerkegel 10 und die zugeordnete Druckfeder 30 auf den Ventilschieber­ kolben 50 übertragen und bei gegenphasiger Ansteuerung der einander an den gegenüberliegenden Enden der Ventileinheit 24 angeordneten Ditherpiezos 14 wird der Ventilschieber 50 derart in eine Oszillation versetzt, daß eine mögli­ che Haftung des Ventilschiebers 50 an den Gehäusewänden 52 aufgehoben wird und das vorgesehene Längsverfahren hemmungsfrei einsetzt.

Für einen Arbeitshub bei eingeschalteter Fluidpumpe, beispielsweise für den Fall, daß der Ventilschieber 50 aus seiner in der Figur gezeigten Null- oder Mittelstellung nach links verfahren werden soll, wird an den in Blickrichtung auf die Figur gesehen linken Steuerpiezo 12 eine elektrische Spannung ange­ legt. Der Piezostapel verlängert sich dann um etwa 100 µm gegenüber dem Ditherpiezo 14 und schiebt den Vorsteuerkegel in Richtung Ventilschieber 50. Am Ventilsitz 32 des Vorsteuerkegels 10 entsteht dann ein Ringspalt, der maxi­ mal die 10-fache Fläche des freien Zulaufquerschnitts der Zulaufblende 62 hat. Damit verbunden ist ein Druckabfall im linken Vorsteuerraum 44 bis auf etwa 5% des ursprünglich herrschenden Vorsteuerdrucks. Am Ventilschieber 50 ent­ steht dann eine Druckdifferenz, da auf der rechten Seite des Mittenkanals 58 Steueröl aus der Zulaufblende 62 in den dortigen Vorsteuerraum 44 austritt, wohingegen auf der linken Seite das Steueröl über den Querkanal 46 dem drucklosen Tankanschluß T zugeführt wird. Der Schieber verfährt mithin in Blickrichtung auf die Figur gesehen nach links, bis entweder der Anschlag für den Ventilschieber 50 erreicht ist oder der Steuerpiezo 12 angesteuert den an­ gesprochenen Ringspalt wieder schließt. Bei der Verschiebung des Ventilschie­ bers 50 nach seiner linken Seite hin ist der Pumpenanschluß P mit dem Nutz­ anschluß A verbunden; bei umgekehrter Ansteuerung der Pumpenanschluß P mit dem Nutzanschluß B.

Sobald der Ventilschieber 50 seine gewünschte Arbeitsposition erreicht hat, müssen dann nur noch die Stellkräfte des Fluidhauptstromes, wie Strömungs­ kräfte, Rückwirkungen aus den Verbrauchern etc., von den beiden endseitig an der Ventileinheit 24 angebrachten Steuerventilen erbracht werden. Dazu wird der angesprochene Ringspalt am Ventilelement 10 so weit geschlossen, bis sich am Ventilschieber 50 derart eine Druckdifferenz einstellt, die multipliziert mit seiner freien Stirnfläche gleich der benötigten Stellkraft ist. Die Kraft hängt mithin nur von dem Druck in der druckführenden P-Leitung und von dem Ver­ hältnis der freien Fläche des Ringspaltes zu der freien Fläche der Zulaufblende 62 ab.

Über das vorhergehend beschriebene Beispiel hinaus läßt sich das erfindungs­ gemäße Steuerventil als Vorsteuerventil für eine Vielzahl von Ventilaufgaben einsetzen. Die bisher komplizierten und teuren sowie teilweise nicht immer funktionssicher arbeitenden, elektromechanisch und hydraulisch arbeitenden Vorsteuereinrichtungen können entfallen.

Im folgenden werden zwei geänderte Ausführungsformen des Steuerventils nä­ her erläutert. Sofern dieselben Bauteile verwendet werden wie bei der ersten Ausführungsform, werden dieselben, aber für jedes Ausführungsbeispiel um 100 erhöhten Bezugsziffern verwendet, wobei für diese Bauteile das bereits Erläuterte gleichermaßen gilt.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 mündet in die feststehenden Gehäuse­ teile 122 ein Pumpenanschluß P sowie ein Steueranschluß 144. Der Pumpen­ anschluß P ist im Durchmesser mittels einer Blende 162 verringert. Der Pum­ penanschluß P und der Steueranschluß 144 münden endseitig in einen Durch­ gangsraum 166, der von einem Kraftspeicher in Form einer Druckfeder 130 durchgriffen ist. Die Druckfeder 130 stützt sich endseitig an einer Begrenzungs­ wand des Durchgangsraumes 166 sowie an dem kegelförmigen Ventilglied 110 ab und hat die Tendenz, das Ventilglied 110 in seine Schließstellung auf den Ventilsitz 132 zu drücken. Die Zustellbewegung des Ventilgliedes oder Ventilelementes 110 verläuft quer zu der Fluidrichtung über den Pumpenanschluß P, die Blende 162, den Durchgangsraum 166 sowie den Steueranschluß 144.

Parallel zum Steueranschluß 144 verlaufend ist innerhalb der Gehäuseteile 122 ein Tankanschluß T angeordnet, der fluidführend sowohl in den Trennraum 134 als auch in den Trennraum 136 mündet. Die Drosselstelle oder Blende 162, die einen Druckabfall in der Pumpenleitung P erzeugt, beispielsweise bis auf 10% des anstehenden Fluiddruckes, kann auch alternativ in die Tanklei­ tung T geschaltet werden. Zum Schließen des Ventils wird das piezoelektrische Stellelement 114 angesteuert und mithin verlängert, der die Bodenplatte 118 in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen nach unten bewegt und dabei gleicherma­ ßen das Stellelement 112 mit dem fest an ihm angeordneten Ventilelement 110 in die fluiddichte Schließstellung nach unten verfährt. Dabei wird das elastische Wellrohr 120 vorgespannt. Hält man, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist, das äußere Stellelement 114 spannungslos und die Spannung über die zugeordnete Anschlußleitung 138 an das innere Stellelement 112, verlängert sich dieses und das Ventilelement 110 hebt von seinem Ventilsitz 132 ab, so daß die in der Schließstellung fluidführende Verbindung zwischen dem Pumpenanschluß P und dem Steueranschluß 144 zumindest teilweise unterbrochen und die fluid­ führende Verbindung zum Tankanschluß T hergestellt ist. Bei einer dahingehen­ den Anordnung läßt sich also eine Verdoppelung des Stellweges erreichen, wo­ bei man die zum Betätigen der einzelnen piezoelektrischen Stellelemente 112, 114 benötigten elektrischen Leitungen abwechselnd zwischen diesen bei­ den Piezos austauschen kann, was den elektrischen Wirkungsgrad der Einrich­ tung erhöht.

Bei einer anderen weiteren Ausführungsform des Steuerventils nach der Fig. 3 sind in den feststehenden Gehäuseteilen 222 drei Anschlüsse untergebracht in Form des Pumpenanschlusses P, des Tankanschlusses T und des Steueranschlus­ ses 244. Der Pumpenanschluß P durchgreift in Längsrichtung die feststehenden Gehäuseteile 222 und mündet mit seinem freien Ende im Bereich des Ventilsit­ zes 232 in den ersten Trennraum 234, der umfangsseitig das erste Stellelement 212 umfaßt. Nach rechtwinkliger Umlenkung münden sowohl der Steueran­ schluß 244 als auch der Tankanschluß T ebenso aber außerhalb des Ventilsitzes 232 in den ersten Trennraum 234. Als Kraftspeicher 230, der auf die Stellele­ mente einwirkt, dient diesmal ausschließlich das federelastische Wellrohr 220. Als Ventilelement 210 ist diesmal eine Ventilplatte am Ende des inneren piezo­ elektrischen Stellelementes 212 vorgesehen.

Im spannungslosen Zustand schließt das innere Stellelement 212 die mögliche fluidführende Verbindung zwischen dem Pumpenanschluß P und dem Steuer­ anschluß 244. Dabei schließt das äußere Stellelement 214 die Verbindung zwi­ schen Steueranschluß 244 und Tankanschluß T, wobei die Wellrohrfeder 220 die Schließkraft erzeugt. Wird nun das äußere Stellelement 214 elektrisch angesteuert, verlängert sich dieses entgegen der Wirkrichtung der Wellrohrfeder 220 und das innere Stellelement 212 hebt mit seinem Ventilelement 210 vom Ventilsitz 232 ab. Hiermit wird eine Verbindung zwischen dem Pumpenan­ schluß P und dem Ringkanal zum Steueranschluß 244 hergestellt. Dieser Schaltzustand ist in der Fig. 3 dargestellt. Bei umgekehrter Ansteuerung verlän­ gert sich das innere Stellelement 212 und der Steueranschluß 244 wird zum Tank T hin entlastet. Bei der dahingehenden Lösung wird kein Steueröl ver­ braucht, um einen bestimmten Druck am Steuerausgang zu erhalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuer- oder Stellventil lassen sich vielfältige Aufgaben lösen. So kann es als universelles Vorsteuerventil aber auch als Feinstdrosselventil für kleine Fluidmengen eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Steuerventil, das zum Betätigen eines Ventilelementes (10, 110, 210) mindestens zwei piezoelektrische Stellelemente (12, 14, 112, 114, 212, 214) aufweist, die voneinander getrennt eine mögliche, die Funktion des Steu­ erventils beeinträchtigende thermische Dehnung kompensieren, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Stellelement (12, 14, 112, 114, 212, 214) sich mit einem Ende an einer Abstützfläche (16, 116, 216) abstützt, die über ein elastisch nachgiebiges Verbindungsglied (20, 120, 220) mit festste­ henden Teilen (22, 122, 222) des Steuerventils verbunden ist, daß das Ver­ bindungsglied (20, 120, 220) die Stellelemente (12, 14, 112, 114, 212, 214) ra­ dial umschließt, daß mindestens ein Stellelement (14, 114, 214) sich an den feststehenden Teilen (22, 122, 222) abstützt und zwischen diesen und der Abstützfläche (16, 116, 216) angeordnet ist und daß ein anderes Stell­ element (12, 112, 212) das Ventilelement (10, 110, 210) aufweist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Ven­ tilelement (10, 110, 210) aufweisende Stellelement (12, 112, 212) von einem benachbart angeordneten Stellelement (14, 114, 214) umfangsseitig derart umfaßt ist, daß zwischen den beiden Stellelementen (12, 14, 112, 114, 212, 214) ein durchgehender, mit Fluid befüllbarer Trennraum (34, 134, 234) vorhanden ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied ein Wellrohr (20, 120, 220) ist, das an einem Ende die Abstützfläche (16, 116, 216) für die Stellelemente (12, 14, 112, 114, 212, 214) aufweist und das an seinem anderen Ende mit den feststehenden Teilen (22, 122, 222) verbunden ist, und daß zwischen dem Wellrohr (20, 120, 220) und dem benachbart angeordneten Stellelement (14, 114, 214) ein weiterer mit Fluid befüllbarer Trennraum (36, 136, 236) vorhanden ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Stellelemente (12, 14, 112, 114, 212, 214) sich mit ihren der Abstützfläche (16, 116, 216) entgegengesetzten Enden in Anlage mit polierten Anlageflächen (26, 28, 126, 128, 226, 228) der feststehenden Teile (22, 122, 222) und/oder des Ventilelementes (10, 110, 210) befinden.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellelemente (12, 14, 112, 114, 212, 214) eine gleiche Wirkrich­ tung, insbesondere eine expandierende haben, und über denselben ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten verfügen, und daß zumindest ein Stell­ element (12, 14, 112, 114, 212, 214) mechanische Schwingungen ausführt.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (10, 110, 210) innerhalb der feststehenden Teile (22, 122, 222) einen Ventilsitz (32, 132, 232) aufweist, der über ein Festgelenk (40, 140, 240) mit den feststehenden Teilen (22, 122, 222) nachgebend be­ wegbar verbunden ist.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Stellelement (12, 112) entgegen der Wirkrichtung eines Kraftspeichers (30, 130) mit dem Ventilelement (10, 110) zusammenwirkt und/oder daß der Kraftspeicher (230) aus dem elastischen Verbindungs­ glied (220) bildbar ist.

8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (10, 110) ein Vorsteuerkegel ist, der in seiner Öff­ nungsstellung eine fluidführende Verbindung zwischen einem Vorsteuerraum (44) oder einem Steueranschluß (144) des Ventils und einem druck­ losen Anschluß, insbesondere einem Tankanschluß (T), sowie zwischen dem Vorsteuerraum (44) oder dem Steueranschluß (144) und den beiden Trennräumen (34,36, 134, 136) herstellt.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellelement (112) zum Öffnen und das andere Stellelement (114) zum Schließen des Ventils mit elektrischer Spannung beaufschlagbar ist.

10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiviertes Stellelement (214) bei dem jeweils nichtaktivierten anderen Stellelement (212) die fluidführende Verbindung zwischen einem Pumpenanschluß (P) und dem Steueranschluß (244) freigibt und daß bei umgekehrter Aktivierung diese Verbindung geschlossen und eine fluidfüh­ rende Verbindung zwischen dem Steueranschluß (244) und dem Tank (T) freigegeben ist.

11. Wegeventil, insbesondere Wege-Schieberventil mit mindestens einem Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (10) auf einen Ventilschieber (50) des Wegeventils einwirkt, der eine fluidführende Verbindung zwischen einem druckführen­ den Anschluß (P) und dem Steuerventil herstellt, und daß in Abhängigkeit der Stellung des Ventilschiebers (50) dieser mehrere fluidführende An­ schlüsse (A, B) innerhalb des Wegeventilgehäuses (52) miteinander verbin­ det oder voneinander trennt.

12. Wegeventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventil­ schieber (50) einen Mittenkanal (58) aufweist, der fluidführend an eine Druckpumpe (P) anschließbar ist und der mit einer Blende (62) oder einer Drossel versehen endseitig in mindestens eine Vorsteuerkammer (44) des Steuerventils mündet.

13. Wegeventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des Ventilschiebers (50) jeweils ein Stellventil vorhanden ist, daß der Kraftspeicher (30) zwischen dem jeweiligen Ventilelement (10) und dem zugeordneten Ende des Ventilschiebers (50) angeordnet ist und daß die beiden Kraftspeicher (30) in der unbetätigten Stellung des Wegeventiles den Ventilschieber (50) in seiner Null- oder Mittelstellung halten.