DE2160262A1 - Hydraulikventil - Google Patents

Description

HANS TRAPPENBERG · PATENTINGENIEUR ■ KARLSRUHE

24. November 1971

wa 1107

Firma weinzierl-Hydraulik KG., 7501 Reichenbach, Tulpenstraße 4

Hydraulikventil

Die Erfindung "betrifft ein Hydraulikventil mit elektromagnetischen Antrieb, bestehend aus einem Elektromagneten dessen Arbeits~ raum einerseits von einem mit Zu- und Ableitungen für die Hydraulikflüssigkeit versehenen, aus ferromagnetischem Material bestehenden Ventilkörper und andererseits von einem aus nicht-ferromagnetisohem Material bestehenden Deckel druckdicht verschlossen ist, mit einem, im verbleibenden Arbeitsraum unter dem Einfluss der elektromagnetischen Kräfte sowie des Drucks der Hydraulikflüssigkeit frei verschiebbaren Anker.

Nach einem noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag wird bei einem derartigen Hydraulikventil in die, dem Ventikörper gegenüberliegende Ankerfläche ein Ventilkegel eingesetzt der im geschlossenen Zustand des Ventils auf einen entsprechenden Ventilsitz im Ventilkörper aufliegt. Durch das Einfügen eines derartigen Ventilkegels verbleibt zwischen dem als elektromagnetisches Joch dienenden Ventilkörper und dem Anker ein verhältnismäßig breiter Luftspalt der einen sehr hohen magnetischen Widerstand darstellt. Um die notwendige magnetische Schliesskraft zu erreichen, ist daher bei einem derartigen Hydraulikventil eine verhältnismäßig hohe Stromstärke notwendig» Diese hohe Stromstärke kann zwar, nach einem ebenfalls noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag, dadurch verringert

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werden, daß der ventilkegel ebenfalls aus ferromagnetischem Material ist und mit kleiner Fläche auf dem Joch aufsitzt. Die Feldstärke in dieser querschnittsmäßig sehr kleinen magnetischen Brücke ist jedoch so hoch, daß dadurch eine befriedigende Eeduzierung des Erregerstromes nicht möglich ist.

Bekannt sind auch Hydraulikventile, bei denen der elektromagnetische Antrieb auf das eigentliche Ventil aufgesetzt ist. Bei diesen Hydraulikventilen ist zwischen dem Anker des Elektromagneten und dem Ventilkegel im eigentlichen Ventil eine justierbare verbindung vorgesehen, so daß bei Auflage des Ventilkegeis auf seinen Ventilsitz zwischen Anker und Joch nur ein sehr geringer Luftspalt verbleibt. Dadurch wird der magnetische Widerstand reduziert und gleichzeitig auch der Erregerstrom, wodurch sich derartige Hydraulikventile insbesondere zum Einsatz in Elektronikschaltungen eignen. Durch den Aufbau des elektromagnetischen Antriebs auf das eigentliche Ventil sind derartige Hydraulikventile jedoch gegenüber den noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Hydraulikventilen sehr voluminös. Außerdem werden sie wegen des hohen konstruktiven Aufwandes, sowie des Aufwandes für die Justierung zwischen elektromagnetischem Antrieb und ventil sehr teuer und störanfällig.

Die Erfindung wil}. die Vorteile dieser beiden Hydraulikventil-Typen miteinander vereinigen, also sowohl die kompakte Aufbaumöglichkeit der noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Ausführungen als auch den niederen Erregerstrom der bekannten Hydraulikvent ile.

Dies wird bei einem Hydraulikventil mit elektromagnetischem Antrieb, bestehend aus einem Elektromagneten dessen Arbeitsraum

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einerseits von einem mit Zu- und Ableitungen für die Hydraulikflüssigkeit versehenen, aus ferromagnetischem Material "bestehenden yentilkörper und andererseits von einem aus nicht-ferromagnetischem Material bestehenden Deckel druckdicht verschlossen ist, mit einem im verbleibenden Arbeitsraum unter dem Einfluss der elektromagnetischen Kräfte sowie des Drucks der Hydraulikflüssigkeit frei verschiebbaren Anker dadurch erreicht, daß der Anker und der Ventilkörper, jeweils in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Ankerbewegung liegende, einanderzugerichtete plane Oberflächen aufweisen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Hydraulikventils» wird also vollkommen auf den Einsatz eines Ventilkegels der sich auf einen entsprechenden Ventilsitz in der Schliess-Stellung des Hydraulikventils auflegt, verzichtet. Vielmehr legt sich der Anker in der Schließstellung vollkommen an das durch den Ventilkörper gebildete elektromagnetische Joch an, so daß der magnetische Kreis geschlossen ist. Damit wird der magnetische Widerstand zu einem Minimum und entsprechend auch der für diesen Schließzustand benötigte Erregerstrom. Ein nach der Erfindung konstruiertes Hydraulikventil benötigt also, da der magnetische Widerstand praktisch ganz weggefallen ist, einen extrem niederen Erregerstrom der noch wesentlich unter dem strom liegt der für die Hydraulikventile mit aufgesetztem elektromagnetischem Antrieb gilt. Gerade bei Elektronikschaltungen wird dies sehr begrüßt, da dadurch u. U. recht aufwendige Verstärkerstufen eingespart werden können.

Im geschlossenen Zustand versohliesst die plane Unterseite des Ankers sowohl die zu- wie auch die Ableitungen, so daß das Hydraulikventil vollkommen verschlossen ist« Bei den bekannten, wie auch bei den noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Hydraulikventilen, wurde davon ausgegangen, daß ein Ventilkörper

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mit verhältnismäßig hohem spezifischem Druck auf einen entsprechend gestalteten Ventilsitz aufzupressen ist, um die teilweise recht hohen Drücke in den Hydrauliksystemen "beherrschen zu können. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß dieser hihe spezifische Druck nicht notwendig ist, sondern dass die Abdichtung über eine größere Fläche mit entsprechend erniedrigtem spezifischem Druck vollkommen ausreichend ist um auch lubhe Drücke wie auch Druckspitzen in einem Hydrauliksystem aufnehmen zu können.

Je weiter sich der Anker dem als elektromagnetisches Joch dienenden Ventilkörper nähert, desto, mehr steigen die elektromagnetischen Kräfte an. Zum Hegeln eines derartigen Ventiles ist jedoch ein starker Anstieg unerwünscht, da dann echon bei kleinsten Änderungen des Erregerstromes große Verschiebungen des Ankers zu erwarten sind. Diesem Wunsch kamen die noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Hydraulikventile mit dem verhältnismäßig großen Luftspalt entgegen, da deren Arbeitskennlinie, verursacht durch den großen Luftspalt, in einem Bereich liegt in dem die Kraft/Weg-Oharakteristik nahezu parallel zu der Wegachse verläuft. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß bei dem Hydraulikventil nach der Erfindung sich im Regelbereich der gleiche Effekt einstellt, da bereits nach kruzem Abheben des Ankers von dem Ventilkörper, der als elektromagnetisches Joch dient, ein rapides Absinken der Schließkraft zu beobachten ist und anschliessend eine Charakteristik bei der wiederum der Weg des Ankers in einem Kennlinienteil liegt der ebenfalls etwa parallel zur Wegachse verläuft. Dies ist außer durch den schlagartig erhöhten magnetischen Widerstand, durch die Bildung des Luftspaltes zwischen Joch und Anker, auch darauf zurückzuführen, daß sich bei der Schließbewegung des Ankers ein hydromechanischer Spalteffekt bemerkbar macht, der sich zu der magnetischen Kraft addiert und dadurch zu einer steilen Kraftzunahme unmittelbar vor Anliegen des Ankers an den Ventilkörper führt.

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Da zwischen den einander zugerichteten verhältnismäßig großen Flächen von Ventilkörper und Anker stets ein Ölfilm liegt, ist ein Kleben des Ankers auf dem als elektromagnetisches Joch dienenden Ventilkörper, kaum zu befürchten. Dieser Ölfilm wird auch durch den verhältnismäßig niederen spezifischen Druck nicht durchschlagen. Hystereseerscheinungen wie sie bei unmittelbarem Aufsitzen der ferromagnetisehen Materialien von Anker und 'Ventilkörper nicht vermieden werden können, sind bei dem Hydraulikventil nach der Erfindung daher nicht zu befürchten.

Jedoch nicht nur hinsichtlich der elektromagnetischen Eigenschaften wirkt sich der Ölfilm zwischen Anker und Ventilkörper günstig aus, sondern auch hinsichtlich der Geräusche, da ein evtl. noch vorhandener Restbrumm durch den dämpfenden Ölfilm nahezu unhörbar gemacht wird.

Insgesamt gesehen ergibt sich dadurch ein Hydraulikventil das tatsächlich die guten Eigenschaften sowohl der bekannten wie auch der, noch nicht zum Stande der Technik gehörenden Ausführungen, in sich vereinigt. Das Hydraulikventil nach der Erfindung benötigt nur einen minimalen Erregerstrom, da im geschlossenen Zustand auch der magnetische Kreis über ferromagnetische Material geschlossen ist, der magnetische Widerstand also auf ein Minimum reduziert wurde. Selbstverständlich kann statt des niederen Stromes bei einem bestimmten Schliessdruck auch das gleiche ventil bei entsprechend h&herem Strom für größere Drücke eingesetzt werden beziehungsweise es läßt sich mit der Stromstärke, der bei den noch nicht zum Stande der Sechnik gehörenden Hydraulikventilen notwendig ist, ein wesentlich höherer Schliessdruck erreichen. Außerdem ist das Hydraulikventil nach der Erfindung auch sehr kompakt aufzubauen, da das Ventil im Arbeitsraum des Eelektromagneten untergebracht ist und zudem die wicklung des Elektromagneten durch den stark reduzierter. Strom auch entsprechend klein bemessen werden kann.

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Um ein verecken des Ankers beim Öffnungsvorgang des Hydraulikventiles zu vermeiden, wird vorteilhafterweise die Mindung der Zulaufleitung im Zentrum des Ventilkörpers vorgesehen. Die zulaufende Hydraulikflüssigkeit drückt also in diesem Stadium zentrisoh den Anker vom Ventilkörper at», wodurch sich auch, insbesondere wenn die Ablaufleitung mit einem koaxial zu der Zulaufleitung liegenden Ringkanal verbunden ist, sehr gute Strömungsverhältnisse ergeben, jedoch nicht nur der Strömungswiderstand wird zu einem Minimum, sondern es ergeben sich auch eindeutige Verhältnisse beim Schliessen des Ventils. In diesem Stadium strömt die Hydraulikflüssigkeit zentrisch zu und fliesst, gleichmäßig über die gesamte Kreisringfläche verteilt, über den Ringkanal wieder ab. Es ist einleuchtend, daß, würde die Hydraulikflüssigkeit nur einer Abflussbohrung zufliessen, der Ölstrom durch den flachen Anker schwieriger zu durchdringen wäre, als bei der vorgeschlagenen Konstruktion» Gerade dieses Effektes wegen ist es auch zweckmäßig den Ringkanal in der Nähe des zentrisohen Zulaufs vorzusehen, um ein sicheres Aufsetzen des Ankers auf den Ventilkörper bei jedem Betriebsdruck und jeder, die Viskosität beeinflussenden !Temperatur zu erreichen.

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!Dadurch, daß nun der Anker mit magnetischem Schluss auf den als elektromagnetisches Joch dienenden Ventilkörper aufliegt, sind derartige Hydraulikventile auch zum Betrieb mit Wechselstrom geeignet. Hierzu wird in an sich bekannter Weise ein Kurzschlußring in den als elektromagnetisches Joch dienenden Ventilkörper eingefügt, zweckmäßigerweise ebenfalls koaxial um die Mündung der Zulaufleitung herum.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt und zwar zeigen;

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Fig. 1 den Gesamtaufbau des Hydraulikventils im Längsschnitt, Pig. 2 im größeren Maßstab die Aufsitzfläche des Ankers und Fig. 5 eine Kraft/Weg-Kennlinie.

Im hohlzylindrischen nassen Arbeitsraum 15 eines Elektromagneten1 ist längsverschiebbar ein Anker 2 untergebracht. Der Anker 2 weist längsverlaufende Kanäle 3 zum Umströmen des Ankers mit der Hydraulikflüssigkeit auf. In diesen Arbeitsraum 15 eingesetzt ist ein als elektromagnetisches Joch dienender Ventilkörper 4 mit Zu-(5) und Ableitungen 6₀ Die Mündung 16 der Zuleitung 5 ist hierbei zentrisch im Ventilkörper 4 angeordnet. Die Ableitungen 6 sind mit einem Ringkanal 17 auf der Oberseite des Ventilkörpers 4 verbunden. Koaxial um die Mündung 16 der Zulaufleitung 5 herum ist in den Ventilkörper 4 ein Kmrzschlußring 18 (Fig. 2.) eingelegt. Jenseits des Ventilkörpers 4 ist der Arbeitsraum 15 des Elektromagneten 1 abgedichtet durch einen mit einer Notbetätigung 7 versehenen Deckel 8. Angebracht am Magneten ist außerdem noch eine Steckeinrichtung 9 zur Zuleitung des Stromes.

Im spannungslosen Zustand wird der Anker 2 durch den Druck der über die zuleitung 5 zufliessenden Hydraulikflüssigkeit bis zum Endanschlag bei der Notbetätigung 7 verschoben. Dadurch ist das Ventil vollkommen offen, die Hydraulikflüssigkeit kann also den Arbeitsraum 15 des Elektromagneten 1 über die Ableitungen 6 wieder verlassen. Ist der Elektromagnet 1 hingegen unter voller Spannung, so wird der Anker 2 in Richtung auf den als Joch dienenden Ventilkörper 4 verschoben, so daß die plane Ankerfläche auf der ebenfalls planen Fläche des Ventilkörpers aufliegt. Das Ventil ist damit geschlossen.

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Durcii vermindern der Spannung an dem Elektromagneten 1 wird auch die Kraft mit der der Anker ? auf den Ventilkörper 4 aufgepresst wird gemindert, so daß bei einer bestimmten Spannung der Druck der Hydraulikflüssigkeit in der Lage 1st den Anker 2 von dem Ventilkörper 4 abzudrücken. Danach beginnt die Hydraulikflüssigkeit über die Zuleitung 5 durch die Mündung 16 hindurch in den Ringkanal 17 und von dort durch die Ableitungen 6 zu fHessen, wobei sich zwischen den planen Flächen von Ventilkörper 4 und Anker 2 ein hydromechanischer Spalteffekt bemerkbar macht der versucht, den Anker 2 wieder auf den Ventilkörper 4 zu pressen Dieser Effekt nimmt jedoch mit der Entfernung des Ankers 2 vom Ventilkörper 4 sehr stark ab, so daß sich unter Berücksichtigung der elektromagnetischen wie auch der hydromeehanisehen Kräfte instesamt etwa die Kennlinie naoh Fig. 3 ergibt. Hier ist die maximale magnetische Kraft (in der Kennlinie mit 10 bezeichnet) dann gegeben, wenn der Anker 2 auf dem Ventilkörper 4 aufliegt, also bei der Entfernung Full des Ankers 2 vom als elektromagnetisches Joch dientttäen Ventilkörper 4. Sowie jedoch der Anker 2 bei nachlassendem Erregerstrom von dem Ventilkörper abgedrückt wird fällt diese Kraft sehr stark ab, so daß sie bereits nach kurzer Wegstrecke in den zur Regelung der durchfliessenden Hydraulikflüssigkeit geeigneten Kennlinienteil 11 übergeht.

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   ίΐή Hydraulikventil mit elektromagnetischem Antrieb, "bestehend aus einem Elektromagneten dessen Arbeitsraum einerseits von einem mit Zu- und Ableitungen für die Hydraulikflüssigkeit versehenen, aus ferromagnetischem Material bestehenden Ventilkörper und andererseits von einem aus nicht-ferromagnetischem Material bestehenden Deckel dnaokdicht verschlossen ist, mit einem im verbleibenden Arbeitsraum unter dem Einfluss der elektromagnetischen Kräfte sowie des Drucks der Hydraulikflüssigkeit frei verschiebbaren Anker, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (2) und der Ventilkörper (4), jeweils in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Ankerbewegung liegende, einanderzugerichtete plane Oberflächen aufweisen.
2. 2. Hydraulikventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (16) der Zulaufleitung (5) im Zentrum des Ventilkörpers (4) vorgesehen ist.
3. 3. Hydraulikventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilkörper (4) ein mit der Ablauileitung (6) verbundener Ringkanal (17) vorgesehen ist.
4. 4. Hydraulikventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß in den Ventilkörper (4) ein Kurzschlussring (18) eingefügt ist.

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