DE19601023A1

DE19601023A1 - Durchflußsteuerventil

Info

Publication number: DE19601023A1
Application number: DE1996101023
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Mayr; Hubert Remmlinger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1996-01-13
Filing date: 1996-01-13
Publication date: 1997-07-17

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Durchflußsteuer ventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Durchflußsteu erventile sind bekannt, sie werden im Zusammenwirken mit einer Festblende oft auch zur Drucksteuerung eingesetzt.

Eine solche Anordnung ist in der deutschen Offenlegungs schrift DE 36 19 044 beschrieben. Dabei wird der Durchfluß mittels eines Proportional-Magnetventils gesteuert. In Proportional-Magnetventilen wird der Durchfluß über den Abstand eines magnetischen Kolbens zu einer Steuerkante eingestellt. Die Stellung des Kolbens wird durch eine Magnetspule geregelt. Dabei ist die Öffnung und damit der Durchfluß proportional zum an die Spule angelegten Strom. Denn in Magnetventilen wirkt die Kraft der Spule auf den magnetischen Kolben einer Federkraft entgegen. Die Kraft auf den magnetischen Kolben ist durch das magnetische Dipolmoment des Kolbens, multipliziert mit dem Gradienten des durch die Spule hervorgerufenen Magnetfeldes B, be stimmt. Bei günstiger Anordnung ist diese Kraft proportio nal zum Spulenstrom. Der Durchfluß durch das Ventil ist zur Öffnung des Ventils proportional, und diese ist zum Feder weg und damit wiederum zur Kraft auf die Feder, d. h. zur Magnetkraft, proportional.

Dieses Prinzip hat aber zwei Nachteile: Einerseits addiert sich zur Magnetkraft noch die Druckkraft des Flui dums (z. B. Öl). Ein pulsierender Druck im Fluidum kann da her einen ebenso pulsierenden Durchfluß bewirken. Anderer seits wird sich bei ferromagnetischen Verunreinigungen im Fluidum, z. B. durch Eisenabrieb, die Permeabilität der Ma gnetspule und damit die Steuercharakteristik des Magnetven tils ändern. Dies wiederum ändert die Drucksteuerung bei einer Anordnung im Zusammenwirken mit einer Festblende.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Durchflußsteuerven til zu schaffen, das nicht von Druckschwankungen und ferro magnetischen Verunreinigungen im Arbeits-Fluidum beeinflußt wird und sich mit hoher Reproduzierbarkeit und geringer Hysterese steuern läßt.

Bei einem Durchflußsteuerventil nach Anspruch 1 wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von An spruch 1 gelöst und damit werden die oben beschriebenen Nachteile vermieden. Mittels des linearen Piezo-Schrittmo tors wird ein definierter Abstand des Kolbens von der Steu erkante eingestellt. Dieser wird durch Reibschluß fest bei behalten. Ein pulsierender Öldruck wirkt sich nicht auf die Durchflußöffnung aus, sondern nur auf die Haltekraft des Reibschlusses. Ferromagnetische Verunreinigungen im Flui dum, z. B. durch Eisenabrieb, wirken sich nicht auf die Durchflußöffnung aus, da diese nicht über Magnetkraft ein gestellt wird.

Ein Piezo-Schrittmotor ist in seiner einfachsten Form aus drei Piezo-Kristallen aufgebaut, die in einer Reihe angeordnet sind. Die Stellwirkung des mittleren Kristalls ist in Richtung dieser Reihe angeordnet. Damit kann der Abstand der beiden äußeren Kristalle variiert werden. Die Stellwirkung der äußeren Kristalle ist senkrecht zur Rich tung der Reihe. Diese äußeren Kristalle wirken als Klemm körper. Der Piezo-Schrittmotor bewegt sich in einer Fuge, die breiter ist als die äußeren Piezo-Kristalle in ihrem gestauchten Zustand, aber schmaler als diese Kristalle in ihrem gestreckten Zustand. Die Fortbewegung des Piezo-Schrittmotors sieht folgendermaßen aus: Der hintere Piezo-Kristall wird gestreckt. Damit klemmt er in der Fuge. Der vordere Kristall wird gestaucht. Damit ist er frei in der Fuge beweglich. Der mittlere Kristall wird gestreckt. Damit nimmt der Abstand zwischen den beiden Kristallen zu, d. h. der vordere Kristall bewegt sich nach vorne. Dann wird der vordere Kristall gestreckt und klemmt in der Fuge. Der hin tere Kristall wird gestaucht und ist damit frei beweglich. Dann wird der mittlere Kristall gestaucht. Der Abstand zwi schen den beiden Kristallen wird wieder verkürzt, d. h. der hintere Kristall wird nachgezogen. Der Zyklus für einen Schritt ist abgeschlossen.

Wird einer der beiden äußeren Piezo-Kristalle, d. h. einer der beiden Klemmkörper, an einer Seite senkrecht zur Stellwirkung von sowohl den äußeren Kristallen als auch des mittleren Kristalls festgehalten, dann kann nach demselben Prinzip ein beweglicher Körper durch abwechselnde Versprei zung der Klemmkristalle in einer Nut dieses Körpers mit dem Piezo-Motor fortbewegt werden. Auf diese Weise kann in ei ner Ausgestaltung der Erfindung ein Stellkolben bewegt wer den.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kolben von zwei Schellen oder Spannringen umfaßt, die je weils mit einem Piezo-Kristall um den Kolben festgespannt oder gelockert werden können. Eine der beiden Schellen mit Piezo-Kristall ist an der Innenwand des Gehäuses, in der sich der Kolben befindet, befestigt. Die beiden Schellen sind mittels eines Piezo-Kristalls verbunden, der sich ent lang der Verbindungslinie dehnt und staucht, d. h. dessen Stellwirkung den Abstand der beiden Schellen untereinander varriert. Die Verstellung des Kolbens funktioniert folgen dermaßen: Der Piezo-Kristall der mit dem Gehäuse verbunde nen Schelle ist gestaucht, die Schelle greift den Kolben. Der Piezo-Kristall der zweiten Schelle wird gedehnt, die Schelle umgibt den Kolben lose. Der Piezo-Kristall zur Ab standsstellwirkung wird gestaucht. Jetzt wird der Piezo-Kristall der zweiten Schelle gestaucht, die Schelle um schließt den Kolben. Der Piezo-Kristall der ersten, mit dem Gehäuse fest verbundenen Schelle wird gedehnt, der Kolben ist dann dort lose. Nun wird der Piezo-Kristall zur Ab standsstellwirkung gedehnt. Der Kolben wird in die Richtung der Dehnung des Kristalls verschoben. Jetzt wird der Piezo-Kristall der mit dem Gehäuse verbundenen Schelle wieder gestaucht, die Schelle greift den Kolben erneut. Der Zyklus für einen Schritt ist abgeschlossen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Piezo-Kristall so angeordnet, daß er sich im gedehnten Zu stand zwischen dem Gehäuse und dem Kolben verspreizt. Die ser Kristall ist mit dem Gehäuse verbunden. Ein zweiter Piezo-Kristall steuert die Spannwirkung einer Schelle um den Kolben. Die Verstellung des Kolbens funktioniert fol gendermaßen: Der mit dem Gehäuse verbundene Piezo-Kristall ist gedehnt und verklemmt Gehäuse und Kolben miteinander. Der Piezo-Kristall der Schelle wird gedehnt, die Schelle umgibt den Kolben lose. Der Piezo-Kristall zur Abstands stellwirkung wird gestaucht. Jetzt wird der Piezo-Kristall der Schelle gestaucht, die Schelle umschließt den Kolben. Der mit dem Gehäuse verbundene Piezo-Kristall wird ge staucht und gibt den Kolben frei. Nun wird der Piezo-Kri stall zur Abstandsstellwirkung gedehnt. Der Kolben wird in die Richtung der Dehnung des Kristalls verschoben. Jetzt wird der mit dem Gehäuse verbundene Piezo-Kristall gedehnt und verklemmt Gehäuse und Kolben erneut miteinander. Der Zyklus für einen Schritt ist abgeschlossen.

In einer Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Druckregelventil mit Durchflußsteuerventil, Festblende und Drucksensor.

Das dargestellte Ventil funktioniert nach dem Prinzip einer hydraulischen Halbbrücke: Ein Fluidum wird als Druck medium mit einem Druck beaufschlagt. Das Fluidum strömt durch eine als Drossel wirkende feste Vorblende 1 und an schließend durch ein Durchflußsteuerventil 2 mit variabler Blende, wodurch sich im Arbeitsbereich 3 zwischen Vorblende und dem Durchflußsteuerventil 2 ein definierter Druck ein stellt.

Das Durchflußsteuerventil 2 besteht aus einem Piezo-Schrittmotor 4 mit linearer Anordnung der Kristalle - wie oben beschrieben -, der die variable Blende mittels dem Abstand zwischen einem verstellbaren, hohlen Kolben 5 und einer Steuerkante 6 einstellt und einem integrierten Piezo-Drucksensor 7, der über die Stauchung eines Piezo-Kristalls im Inneren des hohlen Kolbens 5 den Druck des Fluidums mißt und als Signalrückführelement dient. Der Piezo-Drucksen sor 7 ist auf der der Steuerkante 6 abgewandten Seite des hohlen Kolbens 5 angebracht. Seine elektrischen Spannungs signale werden über eine Verbindungsleitung der Drucksteu ereinheit zugeführt.

Bezugszeichenliste

1 Vorblende
2 Durchflußsteuerventil
3 Arbeitsbereich
4 Piezo-Schrittmotor
5 Kolben
6 Steuerkante
7 Piezo-Drucksensor

Claims

1. Durchflußsteuerventil (2), das den Durchfluß eines Fluidums über den Abstand eines Kolbens (5) mit beliebiger Querschnittsform von einer Steuerkante steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Kol bens (5) von der Steuerkante (6) mittels eines linearen Piezo-Schrittmotors (4) eingestellt wird.

2. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) innen hohl ist und auf seiner der Steuerkante (6) abgewandten Seite einen Drucksensor besitzt, der den Druck im Kolben hohlraum mißt.

3. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor ein Piezo-Drucksensor (7) ist.

4. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Drucksensor gemessene Druck zur Steuerung des Durchflußsteuerven tils (2) herangezogen wird.

5. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Schritt motor (4) an einem Ende fest mit dem den Kolben (5) umge benden Gehäuse verbunden ist und an seinen beiden Ende eine Vorrichtung zum Festhalten des Kolbens (5) betätigt.

6. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Schritt motor (4) Piezo-Kristalle zum Verklemmen zwischen Gehäuse und Kolben (5) und/oder Piezo-Kristalle zum Verklemmen in einer Nut des Kolbens (5) und/oder Piezo-Kristalle zum Ver spannen von Spannringen um den Kolben (5) besitzt.

7. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerven til (2) in Verbindung mit einer vor- oder nachgeschalteten Festblende als Druckregelventil für den Druck zwischen Steuerkante (6) und Festblende wirkt.

8. Durchflußsteuerventil (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerven til (2) zur Druckregelung von Getriebeöl, insbesondere in Kraftfahrzeug-Automatgetrieben, dient.