DE2515134A1

DE2515134A1 - Hydraulisches proportionalventil mit elektromagnetischer steuerung

Info

Publication number: DE2515134A1
Application number: DE19752515134
Authority: DE
Inventors: Nicolae Dr Hamburger; Berthold Pfuhl
Original assignee: Feinmechanische Werke Mainz GmbH
Current assignee: Feinmechanische Werke Mainz GmbH
Priority date: 1975-04-08
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1976-12-23
Also published as: FR2307209A1; IT1058045B; FR2307209B3; CH607780A5

Description

i)ie Erfindung betiifft ein hydraulisches Proportioiialveij til r.iit elektromagnetischer Steuerung_&

.bislang, \\ erden zur Erzeugung einer Proportionalität zwischen eingegebenpir elektrischen Strom und dem von eine«! Steuerschieber zurüC:;£elei;ter ke? recht aufwendige Systeme ver- -Attiidofc, die *n Einsatz derartiger Geräte aufgrund ihres Preises auf nie Gebiete Luft- und Raumfahrt und Waffent'-iolinik begrenzten» Diese unter dem Namen "Servoventile" eingeführten Geräte werden wegen ihres hohen Preises und ihrer Empfindlichkeit nicht so oft in der Industriehydraulik eingesetzt, obgleich ein großer Bedarf an derartigen Regel-Möglichkeiten bestand und besteht^ iJrsEttzivßfee werden Auf-Zu-Wegeventile mit Drosseln oder Stromre^ler usiv. mit dem Kachteil verwendet, daß sie auf keinen F&ll die Anpassungsfähigkeit der elektrohydraulisehen Regelungen erreichen^

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Eine andere Lösung bestellt darin, daß man Tuachanker-Gleichstrommagnete mit einer solchen Geometrie des magnetischen Kreises ausgelegt hat, daß eine nichtlineare Proportionalität erreicht wird. Diese Magnete sind durch eine verhältnismäßig große Abweichung von der Linearität und eine schlechte Dynamik gekennzeichnet. Diese Magnete sind entweder als auf den Schieber der Hauptstufe direkt wirkend eingesetzt oder treten in verschiedenen Kombinationen in der Vorsteuerung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Wegeventile zu beseitigen und insbesondere einen Weg zu beschreiten, der an einem zu hohen Preis und einer zu hohen Empfindlichkeit vorbei zu einer guten Funktionstüchtigkeit mit guter Linearität und Dynamik führt.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem hydraulischen Proportionalventil der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch, daß der Steuerschieber durch einen angebauten elektromechanischen Wandler betätigt wird, der ein Gehäuse und einen im Gehäuse längsverschieblichen_p mittels zweier Federorgane im Gehäuse aufgehängten Stößel umfaßt, der etwa in seiner Mitte einen Dauermagneten trägt und zwei beiderseits dem Dauermagneten angeordnete, am Gehäuse befestigte Erregerspulen durchgreift₉ wobei der Steuerschieber im Sinne einer Rückführung eines Regelkreises in der Weise positioniert wird, daß die Sollxirertangabe durch die Ortsveränderung einer Stirnfläche des Stößels und die Istwertabnahme durch eine entsprechende Ortsveränderung einer in geringem Abstand vor dieser Stirnfläche befindlichen₅ fest mit dem Steuerschieber verbundenen

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Düse erfolgt, die durch einen vom Haupthydraulikstrom abgezweigten, als iiilfsHenergie dienenden Steuerstrom durchflossen wird.

Der Dauermagnet ist zweckmäßig als Kolben und der Stößel als in schmalen Ringspalten verschiebliche Kolbenstange ausgebildet, wodurch der Wandler eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfung erfährt.

Als Federorgane zur Aufhängung des Stößels im Gehäuse dienen mit einer Mittelbohrung und weiteren Durchbrechungen versehene Membranplättchen. Diese Merbranplättchen sind zur Null-Bagenstabij_isierung zweckmäßig an ihren Rändern gegeneinandergerichtet vorgespannt im Gehäuse befestigt.

Das Wandlergehäuse ist im Steuerschiebergehäuse eingeschraubt und die Nulljustierung erfolgt mit Hilfe dieser Schraubverbindung.

Durch eine koaxiale Anordnung von Stößel und Steuerschieber wird eine Rückführung von eins zu eins erzielte Bei einer Ausfuhrungsform des Proportbnalventils wird ein gestufter Steuerschieber mit einem Kolben verwendet, dessen gegenüberliegende wirksame Flächen in den Druckflüssigkeitsräumen im Verhältnis von zwei zu eins stehen.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Proportionalventils wird hingegen ein ungestufter Steuerschieber verwendet, der im Sinne einer Vollbrücke an beiden Stirnseiten mit gleichgroßen wirksamen Flächen in den Druckflüssigkeitsräumen steht.

Nachfolgend werden die beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Proportionalventils anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Es zeigen :

Figur 1 : eine Seitenansicht mit zwei Teilschnitten in unterschiedlichen Schnittebenen einer ersten Aus führung'sforra,

Figur 2 : eine Seitenansicht mit zwei Teilschnitten in unterschiedlichen Schnittebenen einer aveiten Ausführungs-

und

Figur 3 s den bei beiden Ausfülirungsformen identisch ausgebildeten Wandler des Proportionalventils im Längsschnitt und in vergrößertem Maßstab.

Das in Figur 1 dargestellte hydraulische Proportionanventil 1 umfaßt einen elektromechanischen Wandler 2, der mittels des Gewindes 4 in das Steuerschiebergehäuse 3 eingeschraubt ist. In welchem der Steuerschieber 5 mit dem gestuften Kolben 6 längsverschieblich geführt ist, Der Kolben 6 greift mit seinen gegenüberliegenden wirksamen Flächen in die Druckflüssigkeitsräusie R 1 und R 2 ein, wobei ein Verhältnis von zwei zu eins jj^:vä2ii'i viovö.-m ist_t

Zn dem DruckflüssigkeitsrauM R 2 stehen sich, die Stirnseite 8 eines In dem Wandler 2 längsverscliieblichen Stößels 7 und eine fest rjiit dem S teuer· schieb er 5 verbundene Düse 9 isi geringem Abstand gegenüber»

Ehe die gesamte Wirkungsweise des hydraulischen Proportionalventils näher erläutert t-/ird₉ wird zunächst der Innenaufbau des ¥εidlers 2 anhand dar Figur 3 näher beschrieben» In dem Gajiä-asv- '«2 des Wandlers 2 ist längs^/srechieblich ein Stößel 7 rici'fctels s?;eisr mit Durchbrechungen 16 versehener Membranplättchen Ik isj Gehäuse aufgehängt_o Der Stößel 7 durchgreift jeweils

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eine Mittelbohrung 18 in den Membranplättchen 14 und I5. Letztere sind an den Rändern schwach gegeneinandergerichtet vorgespannt im Gehäuse 12 befestigt, so daß der Stößel durch die axial sehr flexiblen, radial aber starren Membranplättchen 14 und 15 in der Kull-Lage stabilisiert ist. In der Mittei trägt der Stößel 7 einen Dauermagneten 10. Der Stößel 7 durchgreift ferner zwei beiderseits des Dauermagneten 10 angeordnete am Gehäuse 12 befestigte elektrische Erregerspulen 11 und 13· In diesem elektromechanischen System wird mit Hilfe der gegenseitigen Beeinflussung eines von den beiden Krregerspuleii erzeugten und eines von dem Dauermagneten gegebenen Magnetfeldes, die eine Druck-Zug-Wirkung liefert, der Stößel 7 gegen die Kraft der beiden Hembranplättchen geringfügig und sehr rasch axialbewegt_o Die erwähnte Druck-Zug-Wirkung der beiden Magnetfelder führt zu einer doppelt so großen mechanischen Wirkung bei der gleichen Größe des Magnetischen Feldes und man benötigt dementsprechend zur Erzielung einer mechanischen Wirkung etwa die Hälfte der magnetischen Feldintensität, was zur Vabesserung der Linearität führt. Es ist auch, zu erwähnen, daß die Summe aller magnetischen Flußlinien im Gerät auch bei maximaler Betätigung immer konstant bleiben, was ebenfalls zu einer Verbescen.Tg der Line-arität und einer Verringerung der Hysterese führt,

Uze beiden Hembranplättchen übernehmen auchdie Zentrierung des Suößols und verhindern damit eine Berührung der bewegtsn mit den unbewegten Teilen, wodurch ebenfalls eine Verminderungder Hysterese erzielt wird. Die Summe der erwähnten pußnii:·;ΐΐβη bringt eine Dynamik des Wandlers, dia ein mehrfaches der ϊϊ it Tauchsnk&r:nagneten angetriebenen Gex-äte beträgt.

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Die Tatsache, daß der Dauermagnet 10 als Kolben ausgebildet und der Stößel J als Kolbenstange in schmalen Riiigspalteii geführt wird, ergibt eine geschwindigkeitspropcrtionale Dämpfung im Wandler.

Zur nachfolgenden Erläuterung des Arbeitsprinzips wird wieder auf die Figur 1 verwiesen. Das freie Ende des Stößels 7 wirkt als Sollwerteilgabeelement für die nachfolgende hydraulische Stufe. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist einem konstanten hydraulischen Widerstand W" 2 ein variabler hydraulischer Widerstand ¥ 3 zugeordnet. Das vom elektrischen Strom im Wandler aufgebaute magnetische Feld bewegt axial den Stößel gegen die Membranplättchen je nach Polarität des eingegebenen Stromes in die eine oder andere Richtung. In der Annahme, daß sich der Stößel in Richtung des Steuerschiebers 5 bewegt, wird sich zuerst der Abstand zwischen der Stößelstirnfläche 8 und der im Steuerschieber fest eingebauten Düse 9 verringern. Der dort auftretende hydraulische Widerstand W 3 ist somit variabel. Dementsprechend steigt der Druck im Raum R 2 an und damit die Druckkraft _s die von links nach rechts auf den Steuerschieber 5 wirkt_o Unter der Wirkung der EraΓtdifferenz zwischen den Druckflüssigkeitsräumen R 2 und R 1 schiebt sich der Steuerschieber 5 nach rechts, bis wieder ein Gleichgewicht der Kräfte erreicht wird. Im gleichen Sinne findet die Bewegung des Kolbens 6 statt, wenn der Stößel 7 nach links bewegt wird. Das gleiche Kräftegleichgewicht herrscht auch in der Lage, in der kein Strom durch die Spulen fließt_o

Um eine Symmetrie der Bewegung am Kolben 6 zu erhalten, x^urde das Verhältnis der wirksamen Flächen von zwei zu eine sswähltο

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Der Widerstand ¥ 1 dient lediglich zur dynamischen Stabilisierung des Systems. Da sowohl die Durchmesser der hydraulischen Widerstände W 1 und ¥ 2 wie auch der Abstand zwischen Stößel und Düse (¥ 3) sehr klein sind, wurde vor der ersten Stufe ein Filter 19 für das Arbeitsmedium vorgesehen, das eine Selbstreinigung bewirkt.

Die Nulljustage wird bei diesem Ventil sehr einfach dadurch erzielt, daß der ¥andler gegenüber dem Steuerschiebergehäuse über das Gewinde 4 so lange verstellt wird, bis die Brücke an den zwei geschlossenen Verbraucheranschlüssen gleich sind. Mit Hilfe der Kontermutter 20 kann diese Nulljustage gesichert werden.

Die in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 lediglich dadurch, daß zur Vereinfachung der Fertigung ein ungestufter Steuerschieber 5 verwendet wird. Die notwendige Gegenkraft wird hier mit einem zusätzlichen Zweig der Druckflüssigkeit erzeugt, Der Steuerstrom fließt zuerst über die parallel geschalteten konstanten ¥iderstände W 1 und V 2 zu den Räumen R 1 bzw. R Von Raum R 1 fließt der Strom weiter über den konstanten ¥iderstand ¥ h zum Tank, Vom Raum 2 muß der Strom zuerst durch den variablen ¥iderstand ¥ 3 fließen, um den Tank zu erreichen, Der Steuerschieber liegt zwischen den Räumen R 1 und R 2 und ist somit als Vollbrücke ausgebildet.

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Claims

lfd.o Nr. 75 1^6 Patentansprüche

1. Hydraulisches Proportionalventil mit elektromagnetischer Steuerung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (5) durch einen angebauten elektromechanischen Wandler (2) betätigt wird, der ein Gehäuse (12) und einen im Gehäuse längsverschieblichen, mittels zweier Pederorgane (14,15) im Gehäuse aufgehängten Stößel (7) umfaßt, der etwa in seiner Mit te einen Dauermagneten (1O) trägt, und zwei beiderseits des Dauermagneten angeordnete, am Gehäuse befestigte Erregerspulen (11»13) durchgreift, wobei der Steuerschieber im Sinne einer Rückführung eines Regelkreises in der Weise positioniert wird, daß die Sollwertangabe durch die Ortsveränderung einer Stirnfläche (8) des Stößels (7) und die Istwertabnähme durch eine entsprechende Ortsveränderung einer in geringem Abstand vor dieser Stirnfläche befindlichen, fest mit dem Steuerschieber (5) verbundenen Düse {9) erfolgt, die durch einen VOE: Hsnptiiydraulikstrom abgezweigten als Hilfsenergie dienenden Steuerstrom durchflossen wird,,

2_e Proportionalventil nach. Anspruch 1 _D dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet als Kolben und der Stößel als in schmalen Ringspalten (17) verscliiebliche Kolbenstange ausgebildet ist.

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3. Proportionanventil nach Anspruch 1,

dadurch gekenznzeichnet, daß als Federorgan ( 1 4, 1 5 ) zur Aufhängung des Stößels im Gehäuse mit einer Mittelbohrung (18) und weiteren Durchbrechungen (16) versehene Kembrannlätteilen dienen.

4. Proportionalventil nach Anspruch 3>

dadurch gekennzeichnet, daß die Membranplättchen zur ivullagenstabilisierung an ihren Rändern gegerieinandergerichtet vorgespannt im Gehäuse befestigt sind.

5. Proportionalventil nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlergehäuse (12) im Steuerschiebergehäuse (3) eingeschraubt ist und die Nulljustierung mit Hilfe dieser Schraubverbindung erf=kolgt_o

ο Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine koaxiale Anordnung von Stößel (7) und Steuerschieber (5) eine Rückführung von 1:1 erzielt wird.

7. Proportionalventil nach Anspruch 6,

gekennzeichnet durch Verwendung eines gestuften Steuerschiebers (5) mit einem Kolben (6) dessen gegenüberliegende wirksame Flächen in den Druckflüssigkeitsräumen (Ra und R1) im Verhältnis von 2 : 1 stehen.

8. Proportionalveiitil nach Anspruch 6,

gekennzeichnet durch Verwendung eines ungestuften Steuerschiebers (5), der im Sinne einer Vollbrücke an beiden Stirnseiten mit gleichgroßen wirksamen Flächen von den Druckflüssigkeitsräumen (R2 und R1) her beaufschlagt wird,

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