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Elektro-hydraulisches Proportional-Steuerventil Die Erfindung bezieht
sich auf ein elektro-hydraulisches Propo t ional-Steuerventil gemäß Oberbegriff
des Eauptanspruches.
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Bisherige elektrisch gesteuerte Servoventile haben eine hinreichend
hohe Verstellgeschwindigkeit. Sie bestehen dabei aber aus relativ empfindlichen
3auteilen, z.B. Regeldüsen in der Vorsteuerstufe, sind verschmutzungsempfindlich
und daher für rauhen Einsatz weniger geeignet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektro-hydraulisches
Proportional-Steuerventil der vorgenannten Art anzugeben, welches eine sehr hohe
Unempfindlichkeit gegen Versc}1nrLftzungen aller Art aufweist, demzufolge insbesondere
für mobilen Einsatz verwendbar ist, einen wesentlich höheren hydraulischen Wirkungsgrad
und Unempfindlichkeit gegen~Druckschwankungen des )?ördermediums besitzt, sich bei
alledem durch eine sehr kostengünstige Fertigungsmöglichkeit auszeichnet und trotzdem
eine mit bisherigen Servoventilen erzielbare Verstellgeschwindigkeit aufweist.
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Das elektro-hydraulische Proportional-Steuerventil nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Ventilkörpers als Gewindespindel zum
Eingriff mit ortsfesten Gewindegängen ausgebildet ist, daß ein Ende des Ventilkörpers
über eine axial nachgiebige, aber torsionssteife Feder in Antriebsverbindung steht
mit dem Rotor eines Scheibenläufermotors an sich bekannter Art, daß eines der beiden
Enden des Ventilkörpers zusammen mit einem elektrischen Korrespondenzglied an sich
bekannter Art zu einem Abstandsfühler ausgebildet ist, und daß die genannten Teile
in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
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Nachstehend werden anhand zweier in den Zeichnungen veranschaulichter
Ausführungsbeispiele zunächst die Erfindung und, daran anschließend, ihre besonderen
Vorteile sowie die besonderen Vorteile zweckmäßiger Ausgestaltungen vor dem Hintergrund
der genannten Aufgabe erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das erfindungsgemäße Steuerventil als Mehrwegeventil,
Fig. 2 das erfindungsgemäße Steuerventil in einer Ausgestaltung als einfaches Druckhalteventil.
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Gemäß Fig. 1 ist in dem Ventilgehäuse 1 zentrisch ein walzenförmiger
Steuerschieber 2 angeordnet. Dieser arbeitet in bekannter Weise mit den Ventilkammern
3, 4 und 5 zusammen. Letztere
sind mit den Anschlußöffnungen 6,
7 und 8 verbunden. An seinem rechten Ende besitzt der Steuerschieber ein Gewinde
9, welches mit einem korrespondierenden ortsfesten Gewindering 10 korrespondiert.
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Über eine Schraubverbindung 11 ist dieser Steuerschieber auf Mitnahme
gekoppelt mit einer Tellerfeder 12 und einer sich nach rechts erstreckenden Welle
13. Diese trägt die Nabe 14 für den Rotor 15 eines Scheibenläufermotors an sich
bekannter Art. Von diesem sind hier noch die Permanentmagnete 16 und eine Stromzuführungskohle
17 zu sehen. Die Rotornabe 14 ist in üblicher Weise bei 18 abgedichtet.
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Die Rotornabe 14 ist auf der Rotorwelle 13 drehsicher befestigt.
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Beide Teile sind über hydrostatische Lager schwimmend gelagert.
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Die hydrostatischen Radiallager sind mit 19 und 20 bezeichnet, die
hydrostatischen Axiallager mit 21 und 22. Alle genannten Lager werden über den Kanal
23, der mit der Anschlußöffnung 6 verbunden ist, zwangsgeschmiert. Zum Rückführen
von Lecköl dienen die Kanäle 24, 25 und 26, wie im einzelnen nicht weiter erläutert
werden soll.
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Die linke Seite des Steuerschiebers 2 läuft in eine ebene Fläche 27
aus. Diese steht einer Induktionsspule 28 gegenüber.
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Der Abstand der Spule 28 kann nach Lösen des Fixierringes 29
und
Ansetzen eines geeigneten Werkzeuges an einen Mehrkant 30 gegenüber der Fläche 27
verändert werden. Die Fläche 27 und die Spule 28 bilden zusammen einen induktiven
Weggeber für die axiale Verschiebung des Steuerschiebers 2. Die Enden der Spule
28 sowie die Anschlüsse für die Stromzuführungskohlen des Scheibenläufermotors sind
an eine Anschlußdose 31 geführt.
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Die Ausführung in Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 lediglich
in der Ausbildung der Teile links vom Gewinde 9.
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Und zwar ist der walzenförmige Ventilkörper hier nicht als Steuerschieber,
sondern als Prallkörper 32 ausgebildet und arbeitet mit der Düse 33 zusammen. Letztere
sitzt in einem Düsenrohr 34 mit dem Kanal 35. Dieser steht mit der Kammer 36 in
Verbindung, welche den 1)ruckmittelzuführungsanschluß 37 aufweist.
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In entsprechender Weise steht der Raum um den Prallkörper 32 mit der
Ventilkammer 38 in Verbindung, welche in den Abflußanschluß 39 mündet. Schließlich
steht der Kanal 35 des Düsenrohres 34 mit einem Druckaufnehmer 40 an sich bekannter
Art in Druckverbindung.
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Die Zusammenarbeit der einzelnen Teile des erfindungsgemäßen Steuerventils
wird nachstehend erläutert, wobei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen wird.
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Wird der Scheibenläufermotor 15, 16 über seine Stromzuführungskohlen
17 mit Spannung beaufschlagt, so führt der Rotor 15 eine
Drehbewegung
aus. Diese wird über die Welle 13 auf die Tellerfeder 12 übertragen und von dieser
über die Schraubverbindung 11 auf den Ventilschieber 2. Infolge des Gewindes 9,
10 und der axialen Nachgiebigkeit der Tellerfeder 12 führt der Steuerschieber 2
sowohl eine Drehbewegung aus als auch eine Verschiebung in axialer Richtung. Wie
bei IvIehrwegeventilen üblich, wird dadurch eine Verbindung zwischen den Anschlüssen
6 und 7 oder 7 und 8 -hergestellt.
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Das Maß der axialen Verschiebung des Steuerkörpers 2 wird über die
Spule 28 erfaßt, deren Induktivität durch den Abstand zur Fläche 27 bestimmt wird,
welche infolge ihrer metallischen Struktur eine mehr oder weniger große Dämpfung
und damit Veränderung der Induktivität der Spule 28 bewirkt. An deren Anschlüssen,
mithin auch an den betreffenden Kontaktelementen der Anschlußdose 31 steht daher
ein elektrisches Abbild des Verschiebeweges des Steuerkörpers 2 zur Verfügung.
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3ei Fig. 2 erfolgt bis zum Gewinde 9, 10 der gleiche Bewegungsvorgang.
Hier ist jedoch das Ventil als sogenanntes Druckventil ausgebildet, wobei sich der
Druck in der Kammer 36, mithin also auch in einem an die Anschlußöffnung 37 angeschlossenen
hydraulischen Gerät danach richtet, wie groß der Abstand der Düse 33 zum Prallkörper
32 ist. Der Druck im Kanal 35 ist demgemäß ein Abbild für die axiale Verschiebung
des Prallkörpers 32. Da weiterhin der Kanal 35 mit dem Druckaufnehmer 40 in Druckverbindung
steht, liefert letzterer auch hier ein elektrisches Abbild des Verschiebeweges des
Prallkörpers 32.
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Die an den entsprechenden Kontakten der Anschlußdose 31 zur Verfügung
stehenden Abbilder des Verstellweges der Ventilkörper 2 bzw. 32 können in an sich
bekannter Weise als Istwert in einem elektrischen Regelkreis bekannter Art weit
erverarbeitet und beispielsweise mit einem Sollwert verglichen werden. An die Vergleichsstufe
kann sodann ein Regelverstärker angeschlossen sein, welcher über die Stromzuführungskohlen
17 den ScheibeÄläufermotor 15, 16 erregt. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
Ein Regelkreis dieser Art, der als solcher nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist
in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, wobei die mit dem Sollwertgeberpotentiometer 41
beschaltete Vergleichs stufe mit 42 und der Regelverstärker mit 43 bezeichnet ist.
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Der Rotor 15 des Scheibenläufermotors hat ein sehr geringes Trägheitsmoment
und gibt ein relativ großes Drehmoment ab.
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Daher ist vorteilhafterweise auch eine äußerst kleine Zeitkonstante
für das Hochlaufen und das Umsteuern des Motors gegeben. Die Verwendung dieses Scheibenläuiermotors
gestattet daher die Ansteuerung durch schnelle elektronische Regler, welche - wie
bekannt - mit sehr hohen Regelgeschwindigkeiten verfügbar sind.
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Als Äbstandsfühler kann an sich jede beliebige Art verwendet werden,
zum Beispiel kapazitiv, lichtelektrisch oder dergleichen.
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Die in Fig. 1 gezeigte Verwendung eines induktiven Abstandsfühlers
hat jedoch den Vorteil, daß sich die Anordnung - etwa im Unterschied zu kapazitiven
Anordnungen - besonders einfach und problemlos mit einem robusten Steuerventil dieser
Art zusammenbauen läßt. Dies insbesondere, wenn man zur Erzielung einer hohen Grenzfrequenz
bei der Messung des Verschiebeweges des Körpers 2 eine relativ hohe Frequenz (z.3.
um 100 kHz) für die elektronische Folgeschaltung wählt, in welche die Spule 28 üblicherweise
einzuschalten ist.
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An sich muß der Rotor 15 nicht unbedingt schwimmend gelagert werden;
für geringere Anforderungen genügen auch andere bekanntere Lagerungen, beispielsweise
Wälzlager. Bei höheren Anforderungen an die Verstellgeschwindigkeit, verbunden mit
der hin- und hergehenden 3ewegung des Rotors 15, versagen jedoch beispielsweise
Wälzlager, weil ihre Wälzkörper die erforder, lichen Beschleunigungen nicht mitmachen
und das Lager demgemäß als simples Gleitlager wirkt, welches, da hierzu nicht ausgebildet,
einem erheblichen Verschleiß unterworfen ist. Die schwimmende Lagerung über die
hydrostatischen Radiallager 19, 20 und hydrostatischen Axiallager 21, 22 ermöglicht
demgegenüber eine größtmögliche Reaktionsfähigkeit bei kaum feststallbarem Verschleiß.
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Gegenüber bisherigen Servoventilen mit hydraulischer Vorsteuerstufe
hat das erfindungsgemäße Steuerventil verschiedene sehr
beachtliche
Vorteile. Durch den Wegfall von feinen und genau kalibrierten Regeldüsen ist eine
wesentlich geringere Filterung des Druckmediums zulässig, was zu einer Verbilligung
der damit betrauten Teile und eine Verringerung an Druckverlust bedeutet.
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So lassen sich durch Einsatz des erfindungsgemäßen Steuerventils Filter
mit 63/u Filterfeinheit verwenden, während sonst ca. 5 P üblich sind.
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Die in beiden Ausführungen gegebene Dreh-Längsbewegung des Ventilkörpers
2, 32 hat dabei eine reinigende Wirkung und setzt die Reibung herab.
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Das Drehmoment des Motors erfährt in bezug auf die Längsbewegungen
der Ventilkörper 2, 32 infolge des Gewindes 9, 10 eine beachtliche Verstärkung.
Es stehen daher wesentlich größere Kräfte für die Bewegung der genannten Ventilkörper
zur Verfügung als bei der Düsensteuerung der üblichen Servoventile. Demzufolge können
auch vergleichsweise größere Fremdkörper im Verschiebeweg der Teile 2, 32 mit überwunden
werden. Die Verwendung der Tellerfeder 12 bewirkt dabei, daß die Gewindegänge 9,
10 stets stramm aneinanderliegen, mithin kein Spiel entstehen kann.
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Der Wegfall von druckbedürftigen Steuerdüsen bisheriger Servoventile
bewirkt, daß das erfindungsgemäße Steuerventil auch bei stärkerem Druckabfall funktionsfähig
bleibt.
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Ein weiterer Vorteil liegt im Wegfall komplizierter Justierarbeiten.
So kann die Spule 28 in einen fest vorgegebenen Sitz eingesetzt werden und die Anpassung
an die elektronische Folgestufe elektronisch durch Verstellung eines Trimmern erfolgen.
Selbstverständlich ist es auch - wie in Fig. 2 gezeigt -möglich, die Verstellung
mechanisch über die Glieder 29 und 30 vorzunehmen. Dem Konstrukteur stehen mithin
zwei Freiheitsgrade zur Verfügung.
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Der für den Antrieb vorgesehene Scheibenläufermotor oder Teile von
ihm können als Massenprodukt preiswert im Handel bezogen werden. Lagerung, Antrieb
und Antriebsverbindung der beweglichen Elemente des Ventils sind übliche Maschinenbauteile,
welche weder spezielle Fertigungseinrichtungen noch über das Maß des Üblichen hinausgehende
Fertigkeiten bei der Herstellung erfordern. Verbunden mit dem geringen Justierbedarf
läßt sich daher der Erfindungsgegenstand sehr kostengünstig herstellen.
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Aus all diesen Gründen läßt sich das erfindungsgemäße Steuerventil
als kompakte, robuste Einheit mit hoher Verstellgeschwindigkeit herstellen, deren
Einfügung in passende Regelkreise verschiedene neue Anwendungsmöglichkeiten elektro-hydraulischer
Regelungen erschließt, beispielsweise in der Anwendung bei Kraftfahrzeugen.