DE19606040A1 - Schnellschaltendes Hydraulikventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schnellschaltendes Hydraulikventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für die Fluidtechnik.

Für spezielle Anwendungen in der Fluidtechnik sind schnellschaltende Ventile erforderlich. Eine dieser Anwendungen ist der hydraulische Freikolbenmotor, z. B. nach DE 40 24 591. Für die Funktion eines Freikolbenmotors nach diesem Konzept sind Ventile mit großem zulässigen Volumenstrom (< 100 dm³/min) und extrem kurzen Schaltzeiten (ca. 1,5 ms) erforderlich.

Andere Freikolbenmotoren sind z. B. nach DE 19 50 769 C2, EP 0 254 353 A1, EP 87 201 312.3 oder EP 0 280 000 bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein schnellschaltendes Hydraulikventil mit Piezoantrieb anzugeben, bei dem der geringe Schaltweg des Piezoantriebes auf ein Maß vergrößert ist, um ein Pilotventil hinreichend genau steuern zu können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch angegeben.

Das erfindungsgemäße Hydraulikventil besteht zunächst aus den an sich bekannten Bestandteilen:

1 - Piezoaktuator als Stellantrieb
2 - hydraulischem Übersetzungselement
3 - Pilotventil in Kolbenlängsschieberbauart mit Kantensteuerung
4 - Hauptstufe.

Piezoaktuatoren reagieren bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung mit einer Längenänderung (inverser piezoelektrischer Effekt). Diese Längenänderung folgt praktisch ohne nennenswerte Totzeit der Betriebsspannung.

Aufgrund des sehr hohen Kraftniveaus bei sehr kleinen Stellwegen, die Piezoaktuatoren ausführen, ist eine Kraft-Weg-Trans­ formation vorgesehen. Diese wird bei dem erfindungsgemäßen Ventil durch ein hydraulisches Übersetzungselement realisiert.

Das Übersetzungselement besteht im wesentlichen aus den Teilen:

 5 - Antriebskolben
 6 - axialer Dichtung
 7 - Fluid
 8 - abtriebsseitiger Membran
 9 - Dichtung und Lagerung der Membran
10 - Gehäuse.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Hydraulikventils besteht darin, daß besonders schnelle Schaltzeiten realisiert werden können und das hydraulische Übersetzungselement weitestgehend leckölfrei arbeitet.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Hydraulikventil,

Fig. 2 eine zu Fig. 1 gehörige Detaildarstellung des Übersetzungselementes,

Fig. 3 eine Temperaturkompensationseinrichtung.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Hydraulikventil mit einem Piezoaktuator 1 in Stapelbauweise, einem hydraulischen Übersetzungselement 2 und einem Pilotventil 3 in Kolbenschieberbauart mit Kantensteuerung dargestellt. An das Pilotventil 3 schließt sich eine hier nicht weiter dargestellte Hauptgruppe 4 an.

Die Fig. 2 zeigt das Übersetzungselement 2 im Detail. Das Fluid 7 wird antriebsseitig von einer Dichtung 6 und einem Antriebskolben 5 eingeschlossen. Abtriebsseitig ist eine Membran 8 und eine Dichtung 9 zur Lagerung der Membran 8 vorgesehen. Weiterhin ist das Fluid 7 vom Gehäuse 10 eingeschlossen.

Wird der Piezoaktuator 1 betätigt, so verdrängt der antriebseitige Kolben 5 ein gewisses Volumen des eingeschlossen Fluids 7. Dieses bewirkt, daß sich die Membran 8 elastisch verformt, und zwar ebenfalls in Bewegungsrichtung des Antriebskolbens. Dadurch wird der Kolbenschieber des Pilotventils aus seiner Ausgangslage in die gegenüberliegende Endlage bewegt.

Durch entsprechende Dimensionierung des Durchmessers des Antriebskolbens 5, des Durchmessers der Membran 8 und der Elastizität der Membran 8 kann die Vergrößerung V erreicht werden.

V - Vergrößerungsfaktor
h_Abtrieb - Hub der Abtriebsseite (Ventil)
h_Antrieb - Hub der Antriebsseite (Aktuator)

Das im Übersetzungselement 2 eingeschlossene Fluid 7 muß vollständig und dauerhaft abgedichtet sein. Tritt Leckage auf, ist die Lagezuordnung von An- und Abtriebsseite und damit die sichere Ventilfunktion nicht gewährleistet. Herkömmliche Abdichtungen, bei denen eine Gleitbewegung zwischen Dichtung und Wandung auftritt, können dieses prinzipbedingt nicht realisieren. Es wird daher bei der erfindungsgemäßen Ventilkonstruktion eine neuartige Abdichtung gewählt, bei der an keiner Stelle leckölbehaftetes Gleiten auftritt.

An der Antriebsseite erfolgt die Abdichtung mittels einer axial eingebauten Elastomerdichtung 6. Bei betätigen des Piezoaktuators 1 wird diese Dichtung - zusätzlich zu ihrer elastischen Verformung durch die Einbauvorspannung - verformt. An der Abtriebsseite kommt eine elastische Membran 8 zum Einsatz, eine Dichtungsform, die prinzipbedingt leckölfrei ist. Die Randlagerung der Membran 8 erfolgt sinnvollerweise elastisch. Die verwendeten Elastomerdichtungen 9 übernehmen gleichzeitig die Abdichtung der Membran 8 gegenüber dem Gehäuse 10.

Da sich sowohl der Piezoaktuator 1, das eingeschlossene Fluid 7 und das Aktuatorgehäuse bei Wärmeeinwirkung ausdehnen, ist es erforderlich, eine Temperaturkompensationseinrichtung vorzusehen. Eine entsprechende Einrichtung ist in der Fig. 3 dargestellt. Diese sichert, daß bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen stets eine definierte Anfangslage der Abtriebsseite eingehalten wird.

Diese erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ventil durch einen Stellkolben 11, mit dem das Volumen des eingeschlossenen Fluids 7 im Übersetzungselement 2 beeinflußt werden kann. Der Stellkolben 11 ist im Gehäuse 10 eingebaut und abgedichtet.

Der Stellkolben 11 ist mit einem Stellantrieb 12, z. B. einem Stellmotor versehen. Der Stellantrieb kann prinzipiell durch Auswertung der Temperatur des Fluides 7 gesteuert oder durch Auswertung der Anfangslage der Abtriebsseite geregelt werden.

Claims (2)

1. Schnellschaltendes Hydraulikventil, bestehend aus Piezoaktuator (1) als Antriebselement, hydraulischem Übersetzungselement (2), Pilotventil (3) in Kolbenlängsschieberbauart mit Kantensteuerung und beliebig nachgeschalteter, vom Pilotventil (3) angesteuerter Hauptstufe (4), dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Übersetzungselement (2) aus Antriebskolben (5) mit axial angeordneter Dichtung (6) zwischen Antriebskolben (5) und Gehäuse (10) und Membran (8) auf der Abtriebsseite besteht, wobei die Membran (8) mit beidseitigen Dichtungen (9) am Gehäuse (10) anliegt und im hydraulischen Übersetzungselement (2) ein Fluid (7) eingeschlossen ist.

2. Schnellschaltendes Hydraulikventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensationseinrichtung vorgesehen ist, die aus einem im Gehäuse (10) eingebauten und abgedichteten Stellkolben (11) besteht, wobei der Stellkolben (11) mit einem steuer- oder regelbaren Stellantrieb (12) verbunden ist, so daß das Volumen des Fluides (7) regulierbar ist.