DE19606040C2

DE19606040C2 - Schnellschaltendes Hydraulikventil

Info

Publication number: DE19606040C2
Application number: DE19606040A
Authority: DE
Inventors: Martin Salzer; Andre Winger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: DE19606040A1

Description

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

Für spezielle Anwendungen in der Fluidtechnik sind schnellschaltende Ventile erforderlich. Eine dieser Anwendungen ist der hydraulische Freikobenmotor, z. B. nach DE 40 24 591 A1. 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.

Aus der Druckschrift O + P "Ölhydraulik und Pneumatik", 39, 1995, Nr. 8, S. 601-605 ist der Einsatz von hydraulischen Übersetzungselementen bei hochdynamischen Ventilen mit Piezoaktuator bekannt. In einer Ausführungsform ist das Übersetzungselement antriebseitig mit einer Membran versehen. Als besonderes problematisch wird wegen der großen Bewegung bei hohen Frequenzen und Geschwindigkeiten die leckagefreie Abdichtung des Ölvolumens auf der Abtriebseite angesehen. Demnach schließen sich Membranen auf der Abtriebsseite offenbar aus.

Aus der DE 37 13 697 A1 ist noch ein ultraschnelles Steuerventil mit einem Antrieb aus gestapelten piezoelektrischen Elementen bekannt, bei dem durch das Flächenverhältnis der Stapeldeckfläche der piezoelektrischen Elemente zu der Kolbenfläche des Ventilstösels sowie zwischen diesen Elementen angeordneten Hydraulikraum eine Vergrößerung des Hubs erzielt wird. Der Hydraulikraum weist eine trichterförmige Gestalt auf. Abtriebseitig besteht für die Kolbenanordnung das Leckageproblem.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein schnellschaltendes Hydraulikventil mit Piezoaktuator und hydraulischem Übersetzungselement anzugeben, bei dem die Abtriebseite so gestaltet ist, daß praktisch keine Leckage auftritt.

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

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

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

Das Übersetzungselement besteht im wesentlichen aus den Teilen:

1. 5 - Antriebskolben
2. 6 - axialer Dichtung
3. 7 - Fluid
4. 8 - abtriebsseitiger Membran
5. 9 - Dichtung und Lagerung der Membran
6. 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 Piezoaktor 1 in Stapelbauweise, einem hydraulischen Übersetzungselemt 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

1. Schnellschaltendes Hydraulikventil, bestehend aus Piezoaktuator (1) als Antriebselement, hydraulischem Übersetzungselement (2) mit einem von Antriebs- und Abtriebselement und einem Gehäuse (10) eingeschlossenen Fluid (7), einem Pilotventil (3) und ggf. einer Temperaturkompensationseinrichtung zum Ausgleich von Temperaturschwankungen im Fluid (7), dadurch gekennzeichnet, daß auf der Abtriebsseite eine Membran (8) vorgesehen ist, die am Außenrand beidseitig zwischen am Gehäuse (10) anliegenden Dichtungen (9) eingespannt ist, wobei durch verdrängen von Volumen des Fluids (7) die Membran (8) elastisch verformt und so das Pilotventil (3) betätigt wird.

2. Schnellschaltendes Hydraulikventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensationseinrichtung 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.