DE19912334C2

DE19912334C2 - pilot control device

Info

Publication number: DE19912334C2
Application number: DE19912334A
Authority: DE
Inventors: Rainer Jungeilges
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: FR2793358A1; DE19912334A1

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorsteuereinrichtung entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Derartige Vorsteuereinrichtungen zeichnen sich durch ihre geringe elektrische Stromaufnahme aus und lassen sich deshalb auch in explosionsgefährdeter Umgebung einsetzten. Sie bauen kompakt, arbeiten verschleißfrei und haben geringe Schaltzeiten. Nennenswerten Strombedarf haben diese Vorsteuereinrichtungen nur im Falle einer Umschaltung; zwischen den Schaltvorgängen ist der Strombedarf vernachlässigbar klein. Besonders hervorzuheben ist die hohe Schaltkraft zu Beginn eines Schaltvorganges, was besonders im Falle von hydraulisch oder pneumatisch angesteuerten Regelventilen vorteilhaft ist, weil zu diesem Zeitpunkt die strömungsbedingten Gegenkräfte relativ hoch sind. Erreicht werden diese vorteilhaften Eigenschaften durch Stapel von elektrisch angesteuerten Piezoelementen. Diese sind unter mechanischer Vorspannung in ein Gehäuse einer Vorsteuereinrichtung eingebaut, wo sie in der Regel mit einem Schaltelement zusammenwirken.The invention is based on a pilot control device corresponding to the preamble of claim 1. Such Pilot control devices are characterized by their low electrical current consumption and can therefore also use in a potentially explosive atmosphere. they build compact, work without wear and have low Switching times. These have significant power requirements Pilot control devices only in the event of a switchover; between the switching operations is the power requirement negligible small. The high is particularly noteworthy Shifting force at the start of a shift, which is special in the case of hydraulically or pneumatically controlled Control valves is advantageous because at this time the flow-related counter forces are relatively high. These advantageous properties are achieved by Stack of electrically controlled piezo elements. This are under mechanical tension in a housing Pilot control device installed, where they are usually with interact with a switching element.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 42 20 177 A1 bereits bekannt. Dabei wird die auf die Piezoelemente einwirkende Vorspannung von einem starren Bauteil in Form eines Spannbolzens aufgebracht. Die Kippbewegung des Schaltelements wird mit Hilfe von Stößeln auf ein nicht dargestelltes Element übertragen. Zur Vorsteuerung von Fluidventilen ist somit eine Zusatzeinrichtung erforderlich, die den Schaltweg in ein pneumatisches bzw. hydraulisches Signal umsetzt. Diese Bauweise ist aufgrund ihrer Vielzahl beweglicher Bauteile relativ aufwendig, ist mechanisch anfällig und beansprucht ein großes Bauvolumen.Such a device is for example from the DE 42 20 177 A1 is already known. It is based on the Piezo elements bias from a rigid Component applied in the form of a clamping bolt. The Tilting movement of the switching element is done with the help of plungers transferred to an element, not shown. to Pilot control of fluid valves is therefore one Additional device required that the switching path in one implements pneumatic or hydraulic signal. This Construction is due to their large number of moving components relatively complex, is mechanically susceptible and stressed a large construction volume.

Aus der DE 195 47 149 A1 ist ein Fluidventil bekannt, das den o. g. Zwischenschritt zur Umsetzung des mechanischen Signals in ein Druckmittelsignal einspart, indem es als Schaltelement einen Bimorph-Bieger verwendet. Dieser verformt sich in Abhängigkeit einer, angelegten Spannung und steuert dadurch Druckmittelverbindungen zwischen den Anschlüssen eines Ventils. Die Öffnungs- bzw. Schließkräfte eines Bimorph-Biegers sind jedoch relativ gering, so daß er sich nur zum Schalten relativ kleiner Volumenströme eignet. Zudem ist der gesamte Innenraum des Gehäuses mit Druckmittel beaufschlagt und dadurch starken Druckbelastungen ausgesetzt.A fluid valve is known from DE 195 47 149 A1, which the above Intermediate step to implement the mechanical Saving signal in a pressure medium signal by it as Switching element uses a bimorph bender. This deforms depending on an applied voltage and controls pressure medium connections between the Connections of a valve. The opening and closing forces a bimorph bender, however, are relatively small, so that it is only suitable for switching relatively small volume flows. In addition, the entire interior of the housing is pressurized pressurized and thereby strong pressure loads exposed.

Darüber hinaus ist aus der DE 196 06 040 A1 ein schnellschaltendes Hydraulikventil bekannt, bei dem ein Piezoaktuator eine Antriebsbewegung auf ein Schaltelement eines Pilotventils überträgt. Die Antriebsbewegung ist von einem hydraulischen Element übersetzt. Im Unterschied zum Gegenstand der Erfindung handelt es sich beim Schaltelement um einen, eine Linearbewegung ausführenden Schieber. In addition, from DE 196 06 040 A1 quick-switching hydraulic valve known in which a Piezo actuator a drive movement on a switching element of a pilot valve transmits. The drive movement is from translated a hydraulic element. In contrast to The object of the invention is the switching element around a slide executing a linear movement.

Aus der DE 44 45 642 A1 und der JP 00 302 34 981 AA sind demgegenüber Einrichtungen bekannt, bei denen Stapel piezoelektrischer Elemente Kippbewegungen im Sinne der Erfindung erzeugen. Die diese piezoelektrischen Elemente vorspannenden Einrichtungen sind jedoch nicht aus Elastomermaterial gefertigt und teilen darüber hinaus den Innenraum des Gehäuses auch nicht in zwei gegeneinander abgedichtete Kammern.From DE 44 45 642 A1 and JP 00 302 34 981 AA on the other hand, facilities are known in which stacks piezoelectric elements tilting movements in the sense of Generate invention. The these piezoelectric elements prestressing facilities are however not out Made of elastomer material and also share the Interior of the housing also not in two against each other sealed chambers.

Advantages of the invention

Demgegenüber weist eine Vorsteuereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil auf, daß ein Stapel-Aktuator aus Piezoelementen eingesetzt wird, dessen mechanische Vorspannung auf relativ einfache Weise durch ein Elastomerteil erzeugt wird. Dieses Elastomerteil dichtet gleichzeitig einen Bereich des Gehäuses druckmitteldicht ab, so daß der mit Druckmittel beaufschlagte Innenraum des Gehäuses deutlich verringert und die Druckfestigkeit des Gehäuses dadurch erhöht wird. Das Elastomerteil ist leicht montierbar, als Massenware verfügbar und in verschiedenen Materialien und Dimensionierungen erhältlich. Die Vorspannung für den Aktuator kann somit anwendungsspezifisch gewählt werden. Das Elastomerteil ist aufgrund seiner Elastizität in der Lage Winkelbewegungen des Aktuators auf das Schaltelement zu übertragen und gleichzeitig Fertigungstoleranzen auszugleichen.In contrast, a pilot control device with the characterizing features of claim 1 the advantage that a stack actuator made of piezo elements is used, its mechanical preload in a relatively simple way is generated by an elastomer part. This elastomer part simultaneously seals an area of the housing Pressure-tight from, so that the pressure medium acted upon interior space of the housing is significantly reduced and this increases the pressure resistance of the housing. The Elastomer part is easy to assemble, as a mass product available and in different materials and Sizing available. The preload for the The actuator can therefore be selected to be application-specific. The Elastomer part is able due to its elasticity Angular movements of the actuator towards the switching element transferred and at the same time manufacturing tolerances compensate.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Das Elastomerteil teilt den Innenraum des Gehäuses in eine den Aktuator aufnehmende, nicht durchströmte und in eine vom Druckmittel durchströmte Kammer. Beide Kammern können sich gegenseitig nicht beeinflussen. Zur Abdichtung dieser beiden Kammern sind bei geeigneter Auslegung des Elastomerteils keine unterstützenden Bauteile erforderlich. Um eine Kompensation von strömungstechnisch bedingten Öffnungskräften am Schaltelement zu ermöglichen, kann dieses Schaltelement zum Aktuator mit einem Mittenversatz angeordnet sein, so daß die auf das Schaltelement einwirkende Druckkraft je nach Anordnung ein öffnendes oder ein schließendes Kippmoment erzeugt. Mit zunehmendem Druck in der fluiddurchströmten Kammer des Gehäuses nimmt die den Aktuator vorspannende Druckkraft zu, wodurch dessen Arbeitsvermögen besonders gut ausgenutzt wird. Der Aktuator kann dadurch kleiner dimensioniert und somit das Bauvolumen der Vorsteuereinrichtung weiter reduziert werden.Further advantages or advantageous developments of Invention result from the dependent claims and the following description. The elastomer part divides the Interior of the housing in a receiving the actuator not flowed through and into a flow through the pressure medium Chamber. Both chambers cannot mutually influence. To seal these two chambers are at suitable design of the elastomer part none supporting components required. To compensate of fluidic opening forces on To enable switching element, this switching element can Actuator can be arranged with a center offset, so that the pressure force acting on the switching element depending on Arrangement an opening or closing tilting moment generated. With increasing pressure in the fluid flow Chamber of the housing takes the one that prestresses the actuator Pressure force, making its working capacity particularly good is exploited. As a result, the actuator can be smaller dimensioned and thus the volume of the Pilot control device can be further reduced.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorsteuereinrichtung im Querschnitt, in Fig. 2 ist eine Weiterbildung der o. g. Vorsteuereinrichtung ebenfalls im Querschnitt dargestellt.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Fig. 1 shows a pilot control device according to the invention in cross section, in Fig. 2 a development of the above pilot control device is also shown in cross section.

Description of the embodiment

Fig. 1 zeigt eine Vorsteuereinrichtung 10, deren Gehäuse 12 einen Innenraum 14 umschließt. Der Innenraum 14 wird exemplarisch von einer horizontal verlaufenden Sacklochbohrung 16 gebildet, deren stirnseitige Öffnung von einem Stopfen 18 verschlossen ist. Diese Sacklochbohrung 16 ist in ihrem Innendurchmesser einmal abgesetzt, wobei der den kleineren Innendurchmesser aufweisende erste Bohrungsabschnitt 16a von der stirnseitigen Öffnung abgewandt liegt. Dieser erste Bohrungsabschnitt 16a ist durch einen Ventilraum 20 erweitert, der exzentrisch zur Sacklochbohrung 16 angeordnet ist. Im Ventilraum 20 sind zwei einander gegenüberliegende Ventilsitze 22, 23 ausgebildet, an denen Druckmittelkanäle 24, 26 münden. Diese Druckmittelkanäle 24, 26 verlaufen in der Wandung des Gehäuses 12 nach außen. Ein dritter Druckmittelkanal 28 erstreckt sich seitlich versetzt zu den Druckmittelkanälen 24, 26 ebenfalls vom Innenraum 14 zur Gehäuseaußenseite. Fig. 1 shows a pilot control device 10, the housing 12 encloses an inner space 14. The interior 14 is exemplarily formed by a horizontally running blind hole 16 , the front opening of which is closed by a plug 18 . This blind hole 16 is stepped once in its inner diameter, the first bore section 16 a having the smaller inner diameter being facing away from the front opening. This first bore portion 16a is extended by a valve chamber 20 which is disposed eccentrically to the blind bore sixteenth In valve chamber 20 , two valve seats 22 , 23 lying opposite one another are formed, on which pressure medium channels 24 , 26 open. These pressure medium channels 24 , 26 run outwards in the wall of the housing 12 . A third pressure medium channel 28 extends laterally offset to the pressure medium channels 24 , 26 also from the interior 14 to the outside of the housing.

Der Druckmittelkanal 24 bildet den mit R bezeichneten Rücklauf-, der Druckmittelkanal 26 den Zulauf- P und der Druckmittelkanal 28 den Arbeitskanal A eines in Bezug auf seine Funktion hinlänglich bekannten 3/2-Wegeventils.The pressure medium channel 24 forms the return valve designated R, the pressure medium channel 26 the inlet P and the pressure medium channel 28 the working channel A of a 3/2-way valve which is well known in terms of its function.

Zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen den Druckmittelkanälen 24 bis 28 ist ein Schaltelement 30 im Innenraum 14 gelagert. Dieses Schaltelement 30 gliedert sich in ein die Ventilsitze 22, 23 steuerndes Ventilelement 32, das am freien Ende eines konischen Schaltarms 34 angeordnet ist und in eine dem Ventilelement 32 gegenüberliegende Flanschplatte 36 mit einem dem Schaltarm 34 zugewandten Bund 38. Die Flanschplatte 36 ragt in den im Innendurchmesser größeren zweiten Bohrungsabschnitt 16b der Sacklochbohrung 16 hinein, und zentriert am Bund 38 einen Elastomerring 40. Dieser stütz sich an einer dem Bund 38 gegenüberliegenden Schulter 41 des Gehäuses 12 ab und teilt den Innenraum 14 in zwei gegeneinander abgedichtete Kammern 42, 44. Die den Ventilraum 20 umfassende erste Kammer 42 ist fluiddurchströmt, während in der zweiten, druckmittelfreien Kammer 44 ein Aktuator 46 zur Betätigung des Schaltelements 30 angeordnet ist.A switching element 30 is mounted in the interior 14 for controlling pressure medium connections between the pressure medium channels 24 to 28 . This switching element 30 is divided into a valve element 32 controlling the valve seats 22 , 23 , which is arranged at the free end of a conical switching arm 34 , and into a flange plate 36 opposite the valve element 32 with a collar 38 facing the switching arm 34 . The flange plate 36 projects into the second bore section 16 b of the blind hole 16 , which is larger in the inside diameter, and centers an elastomer ring 40 on the collar 38 . This is supported on a shoulder 41 of the housing 12 opposite the collar 38 and divides the interior 14 into two chambers 42 , 44 which are sealed off from one another. The first chamber 42 encompassing the valve chamber 20 is flowed through by fluid, while an actuator 46 for actuating the switching element 30 is arranged in the second, pressure-free chamber 44 .

Bei diesem Aktuator 46, der in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist, handelt es sich beispielsweise um zwei gegensinnig zueinander wirkende Stapel von Piezoelementen, die sich durch elektrische Bestromung ausdehnen bzw. zusammenziehen können. Die beiden Stirnseiten des Aktuators 46 führen dadurch relativ zueinander eine Kippbewegung aus. Der Aktuator 46 stützt sich einerseits am Stopfen 18 und andererseits an der Flanschplatte 36 des Schaltelements 30 ab, wobei der Aktuator 46 mit Hilfe des Elastomerrings 40 im Gehäuse 12 von einer Vorspannung beaufschlagt ist. Dessen Elastizität erlaubt die Übertragung der Kippbewegung des Aktuators 46 auf das Schaltelement 30. Dieses öffnet somit die in der gezeichneten Ruhestellung geschlossene Druckmittelverbindung vom mit P bezeichneten Zulaufkanal zum mit A bezeichneten Arbeitskanal und schließt gleichzeitig die bislang geöffnete Druckmittelverbindung vom Arbeitskanal A zum Rücklaufkanal R.This actuator 46 , which is shown only schematically in FIG. 1, is, for example, two stacks of piezo elements acting in opposite directions to one another, which can expand or contract due to electrical current supply. The two end faces of the actuator 46 thereby perform a tilting movement relative to one another. The actuator 46 is supported on the one hand on the plug 18 and on the other hand on the flange plate 36 of the switching element 30 , the actuator 46 being acted upon by a prestress in the housing 12 with the aid of the elastomer ring 40 . Its elasticity allows the tilting movement of the actuator 46 to be transmitted to the switching element 30 . This thus opens the pressure medium connection closed in the drawn rest position from the inlet channel designated P to the working channel designated A and at the same time closes the previously open pressure medium connection from the working channel A to the return channel R.

Die vom Elastomerring 40 aufgebrachte Vorspannung auf den Aktuator 46 ist dabei so bemessen, daß dieser Elastomerring 40 auch in der nicht gezeichneten zweiten Schaltstellung des 3/2-Wegeventils die beiden Kammern 42, 44 zuverlässig gegeneinander abdichtet. Eine entgegengestetzt gepolte Spannungsversorgung des Aktuators 46 bewirkt eine Kippbewegung des Schaltelements 30 in Gegenrichtung und stellt dieses wieder in seine dargestellte Ausgangsstellung zurück.The preload applied by the elastomer ring 40 to the actuator 46 is dimensioned such that this elastomer ring 40 reliably seals the two chambers 42 , 44 against one another even in the second switching position of the 3/2-way valve, not shown. An oppositely polarized voltage supply to the actuator 46 causes the switching element 30 to tilt in the opposite direction and returns it to the starting position shown.

Eine derartig wirkende Vorsteuereinrichtung 10 kann hydraulisch bzw. pneumatisch mit konventionellen Schieberventilen gekoppelt werden, so daß mit den relativ geringen Schaltströmen für die Piezostapel verhältnismäßig große Volumenströme schaltbar sind.Such a pilot control device 10 can be hydraulically or pneumatically coupled to conventional slide valves, so that relatively large volume flows can be switched with the relatively low switching currents for the piezo stack.

Eine Weiterbildung der beschriebenen Vorsteuereinrichtung 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses weitergebildete Vorsteuerventil 10a unterscheidet sich insbesondere dadurch, daß der Aktuator 46a gegenüber der Flanschplatte 36a des Schaltelements 30a einen Mittenversatz 48 aufweist. Außerdem wird das Schaltelement 30a im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel von zwei Elastomerringen 40a beaufschlagt, die in zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind und die zwischen sich eine im wesentlichen ringförmige Druckkammer 50 einschließen. Letztere wird in axialer Richtung von der Flanschplatte 36a bzw. der gehäuseseitigen Schulter 41a begrenzt. Diese Schulter 41a ist im Vergleich zur Schulter 41 verlängert und weist an ihrem dem Schaltarm 34a zugewandten Ende einen Absatz zur Aufnahme des zweiten Elastomerrings 40a auf. Die Druckkammer 50 ist über einen Versorgungskanal 52 mit dem, dem Zulaufkanal P zugeordneten Druckmittelkanal 26 verbunden. Aufgrund des Druckniveaus im Zulaufkanal P wird somit die Flanschplatte 36a und damit das Schaltelement 30a mit einer Druckkraft belastet, die infolge des Mittenversatzes 48 zwischen Aktuator 46a und Schaltelement 30a ein zusätzliches Kippmoment erzeugt. Durch geeignete Dimensionierung dieses Mittenversatzes 48 lassen sich die Kraftwirklinien des Aktuators 46a und der Druckkammer 50 derart aufeinander abstimmen, daß am Ventilsitz 22a wirkende und vom Zulaufdruck abhängige Öffnungskräfte kompensiert werden.A further development of the pilot control device 10 described is shown in FIG. 2. This further developed pilot valve 10 a differs in particular in that the actuator 46 a has a center offset 48 with respect to the flange plate 36 a of the switching element 30 a. In addition, in contrast to the first exemplary embodiment, the switching element 30 a is acted upon by two elastomer rings 40 a, which are arranged in mutually spaced planes and which enclose an essentially annular pressure chamber 50 between them. The latter is limited in the axial direction by the flange plate 36 a or the shoulder 41 a on the housing side. This shoulder 41 a is elongated in comparison to the shoulder 41 and has at its end facing the switching arm 34 a a shoulder for receiving the second elastomer ring 40 a. The pressure chamber 50 is connected via a supply channel 52 to the pressure medium channel 26 assigned to the inlet channel P. Due to the pressure level in the supply passage P, the flange plate is thus 36 a, and thus the switching element 30 a pressure force with a loaded, the result of the center offset 48 between the actuator 46 and a switch element 30 a, an additional tilting moment produced. By suitable dimensioning of this center offset 48 , the force lines of action of the actuator 46 a and the pressure chamber 50 can be coordinated with one another in such a way that opening forces acting on the valve seat 22 a and dependent on the inlet pressure are compensated for.

Die zwischen den beiden Elastomerringen 40a eingeschlossene Druckkammer 50 bewirkt bei steigendem Druck im Zulaufkanal eine Erhöhung der Vorspannung des Aktuators 46a. Die Elastomerringe 40a können dadurch flexibler, d. h. mit geringerer innerer Reibung, ausgelegt werden. Dadurch kann der Aktuator 46a noch kleiner gewählt werden, was sich in einem noch geringeren Bauvolumen und einer weiter reduzierten Leistungsaufnahme der Vorsteuereinrichtung 10a auswirkt. Bei druckkompensierten Systemen gemäß Fig. 2 müssen, unabhängig von den Betriebsdrücken, nur die Reibungskräfte und die geringe Pressung der Elastomerringe 40a überwunden werden.The pressure chamber 50 enclosed between the two elastomer rings 40 a causes an increase in the pretension of the actuator 46 a as the pressure in the inlet channel rises. The elastomer rings 40 a can thus be designed more flexibly, ie with less internal friction. As a result, the actuator 46 a can be selected to be even smaller, which results in an even smaller construction volume and a further reduced power consumption of the pilot control device 10 a. In the case of pressure-compensated systems according to FIG. 2, only the frictional forces and the low pressure of the elastomer rings 40 a have to be overcome, regardless of the operating pressures.

Selbstverständlich sind weitergehende Änderungen und Ergänzungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.Further changes and are of course Additions to the described exemplary embodiments possible without deviating from the basic idea of the invention.

Claims

1. pilot control device ( 10 , 10 a), in particular for pneumatic directional control valves, with a housing ( 12 , 12 a) enclosing an interior ( 14 , 14 a) and an actuator ( 46 ,) arranged in this interior ( 14 , 14 a) 46 a), which has at least one stack of piezo elements for converting an electrical input signal into a mechanical output signal and wherein the actuator ( 46 , 46 a) is arranged under prestress in the interior ( 14 , 14 a) and a switching element ( 30 , 30 a ) actuated in the form of a tilting armature equipped with a valve element ( 32 , 32 a), characterized in that at least one element made of elastomer material ( 40 , 40 a) is provided in the housing for prestressing the actuator, said element being in the region of the end of the actuator facing the actuator Switching element ( 30 , 30 a) is arranged and the interior in operative connection with a housing-side shoulder ( 41 , 41 a) and a collar ( 38 , 38 a) formed on the switching element ( 30 , 30 a) ( 14 , 14 a) into a chamber ( 44 , 44 a) receiving the actuator ( 46 , 46 a) and a chamber ( 42 , 42 a) receiving the switching element ( 30 , 30 a) and dividing these two chambers ( 42 , 42 a, 44 , 44 a) seals against each other.

2. Pilot control device according to claim 1, characterized in that one of the chambers ( 42 , 42 a, 44 , 44 a) is flowed through by pressure medium and valve seats ( 22 , 22 a, 23 , 23 a).

3. Pilot control device according to claim 1 or 2, characterized in that the switching element ( 30 , 30 a) part of a multi-way switching valve with at least one, an inlet P, a return R and a working port A assigned channel ( 26 , 26 a, 24 , 24 a, 28 , 28 a).

4. Pilot control device according to one of claims 1 to 3, characterized in that two elements ( 40 , 40 a) are provided which enclose between them a switching element ( 30 a) acting pressure chamber ( 50 ) and that between the actuator ( 46 a ) and the switching element ( 30 a) adjacent to it has a center offset ( 48 ).

5. Pilot control device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two elements ( 40 , 40 a) are arranged in mutually spaced planes.

6. Pilot control device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the switching element ( 30 , 30 a) bears on the loose side of the actuator ( 46 , 46 a).

7. Pilot control device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the actuator ( 46 , 46 a) and the switching element ( 30 , 30 a) are integrally formed.