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Elek*ro-hydraulisches Regelventil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektro-hydraulisches Regelventil
der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung.
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Elektro-hydraulische Regelventile bzw. Servoventile sind in vielfacher
Ausgestaltung bekannt, wobei grundsätzlich stets ein elektrischer Stellmotor, eine
davon betätigte, druckmitteldurchflossene Vorsteuerstufe und eine davon gesteuerte
Hauptsteuerstufe vorhanden sind. Diese Ventile sind verhältnismäßig verwickelt hinsichtlich
des Aufbaus und störanfällig.
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Dazu gehören auch solche Ventile, die in der Vorsteuerstufe mit Düsen
bestückt sind. Letztere weisen einen sehr kleinen Innendurchmesser im Bereich von
0,1 mm auf und sind daher gegen Verschmutzung außerordentlich empfindlich (DT-AS
1 192 471 und DU-PS 1 195 116). Bei einer anderen Ventil art sind in der Vorsteuerstufe
kleine Kolben vorgesehen, welche ebenso empfindlich gegen Verunreinigungen sind.
Beide genannten Arten ermöglichen zwar eine hinreichend
hohe Verstellgeschwindigkeit,
sind jedoch aus den erwahnten Gründen für einen rauhen Einsatz, etwa bei Eraftfahrzeugen,
nicht geeignet.
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Insbesondere einem solchen Einsatz stehen auch ein verwickelter Aufbau,
eine diffizile Justierung und somit der verhältnismäßig hohe Preis der bekannten,
elektro-hydraulischen Regelventile entgegen, was auch bei den vorstehend geschilderten
Arten der Fall ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die geschilderten
Nachteile zu beheben und ein elektrohydraulisches Regelventil zu schaffen, welches
sich durch einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad, weitestgehende Unempfindlichkeit
gegen Druckschwankungen des Druckmittels und gegen darin etwa enthaltene Verunreinigungen
sowie durch einen einfachen Aufbau aus wenigen, robusten und einfachen Bauteilen
auszeichnet, ohne jegliche Einbuße hinsichtlich einer möglichst hohen Verstellgeschwindigkeit.
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Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
angegebene Merkmalskombination gelöst.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.
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Das erfindungsgemäße elektro-hydraulische Regelventil vermittelt
insbesondere die angestrebten, sich aus der Aufgabenstellung ergebenden Vorzüge
und ist deswegen auch kostengünstig und daher insbesondere für den Einsatz bei Eraftfahrzeugen
geeignet.
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Beim erfindungsgemäßen, elektro-hydraulischen Regelventil ist der
Rotor des Elektromotors entweder als in Druckplatinentechnik hergestellter Scheibenläufer
oder als flache, vorzugsweise freitragende Drehspule ausgebildet.
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Scheibenläufer sind an sich bekannt. Sie bestehen aus einer kreisrunden
Platte aus Isoliermaterial, welche beidseitig mit elektrischen Leiterbahnen versehen
ist. Sie werden bei sogenannten Scheibenläufermotoren als Rotor verwendet. Auch
Drehspulen sind an sich bekannt, und zwar ist ihre Verwendung bei sogenannten Drehspulmeßinstrumenten
schon seit langem üblich. Durch die Verwendung eines Scheibenläufers beim erfindungsgemäßen,
elektro-hydraulischen Regelventil läßt sich das Trägheitsmoment der drehbeweglichen
Eomponenten verhältnismäßig stark vermindern. Eine noch weitere Reduzierung des
Trägheitsmomentes wird erzielt, wenn eine flache Drehspule als Rotor des Elektromotors
verwendet wird, wobei sich auch noch der Vorteil ergibt, daß
der Drehspule ein gegenüber einem Scheibenläufer höheres Drehmoment erhalten wird.
so daß mit Drehspule eine besonders große Verstellgeschwindigkeit oder
des Regelventils ermöglicht ist. Durch geeignete, gegenseitige bestimmung der radialen
Ausdehnung der Drehspule und der axialen Länge ist es möglich, das Trägheit/Drehmoment-Verhältnis
zu optimieren.
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Es wurde weiterhin gefunden, daß die ohnehin hydraulisch zentrierten,
kolbenförmigen Schließglieder des Ventilkörpers gut dazu geeignet sind, alle drehbeweglichen
Komponenten des elektro-hydraulischen Regelventils zu lagern, so daß jegliche weitere
Lagerung entbehrlich ist.
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Schließlich wirkt beim erfindungsgemäßen, elektrohydraulischen Regelventil
ein Ende des Ventilkörpers mit einem Weggeber zusammen, der zusammen mit dem Elektromotor
in einen elektrischen Regelkreis integriert ist. Dieser läßt sich ohne weiteres
zur Erzielung hoher Grenzfrequenzen ausbilden, so daß auch dadurch die Verstellgeschwindigkeit
nicht begrenzt wird.
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Es ist ein elektro-hydraulischer Schrittmotor bekannt, welcher im
wesentlichen aus einem üblichen, langgestreckten, elektrischen Schrittmotor, einem
hydraulischen Ventil und einem hydraulisch betätigbaren Axialkolbenmotor besteht,
welcher zur Verstärkung des Drehmomentes des elektrischen Schrittmotors dient. Letzterer
ist über ein Getriebe mit dem Ventilkörper des Ventiles zur Verdrehung desselben
verbunden, welcher an dem dem Getriebe abgewandten Ende mit der Ausgangswelle des
Axialkolbenmotors verschraubt ist, um auf diese Weise eine Rückführung zwischen
Ausgangswelle und Ventil bzw. Axialkolbenmotor zu erzielen. Insbesondere aufgrund
des Axialkolbenmotors ist der bekannte Vorschlag mit einer erheblichen Trägheit
behaftet. Als elektro-hydraulisches Regelventil im Sinne der Erfindung kann er nicht
angesehen werden (DT-OS 2 204 186).
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Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, elektro-hydraulischen
Regelventils anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen: Fig.
1 einen Längsschnitt, und Fig. 2 den Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 ist in einem Ventilgehäuse 1 zentrisch ein walzenförmiger
Ventilkörper 2 mit kolbenförmigen Schließgliedern 3~und 4 angeordnet, welcher mit
Ventilkammern 5, 6 und 7 im Ventilgehäuse 1 zusammenwirkt. Letztere sind jeweils
mit einer Anschlußöffnung 8 bzw. 9 bzw. 10 für eine Druckmittelquelle bzw. beispielsweise
einen druckrnittelbetätigbaren Stellzylinder bzw. ein Druckmittelreservoir verbunden.
Im Ventilkörper 2 sind Kanäle 11, 12 und 13 vorgesehen, welche in Verbindung mit
im Ventilgehäuse 1 ausgebildeten Kanälen 14 und 15 zur Ableitung von Leckdruckmittel
zur Anschlußöffnung 10 dienen. Der Ventilkörper 2 ist an dem in Fig. 1 linken Ende
durch eine Dichtung 16 in der Bohrung des Ventilgehäuses 1 abgedichtet.
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An dem der Dichtung 16 abgewandten Ende ist der Ventilkörper 2 mit
einem Außengewinde 17 versehen, welches mit zwei Gewindeträgern 18 und 19 mit entsprechendem
Innengewinde zusammenwirkt. Der Gewindeträger 18 ist stationär im Ventilgehäuse
1 angeordnet, während der Gewindeträger 19 unter dem Druck von Tellerfedern 20 und
21 steht, welche zwischen den beiden Gewindeträgern 18 und 19 angeordnet sind unddiese
auseinanderdrücken, so daß jegliches axiale Gewindespiel ausgeschlossen ist.
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Auf der den Schließgliedern 3 und 4 abgewandten Seite vom Gewinde
17 ist ein Konus 22 am Ventilkörper 2 auger bildet, welcher in eine entsprechende
Ausnehmung einer Hülse 23 eingreift und mit dieser über eine Schraube 24 fest verbunden
ist. Die Hülse 23 ist von einer Dichtung 25 umschlossen, ohne daß jedoch an dieser
Stelle eine Lagerung vorgesehen wäre. Die Hülse 23 ist weiterhin auf der dem Ventilkörper
2
abgewandten Seite mit einer Gabel 26 zur Aufnahme einer flachen, korbartigen Drehspule
27 versehen.
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Die Drehspule 27 umgibt eine stationäre, ringförmige Rückschlußplatte
28 aus Eisen. Beiderseits der Rückschlußplatte 28 ist jeweils ein Paar sektorförmiger,
einander diametral gegenüberliegender Permanentmagnete 29 und 31 bzw. 30 und 32
stationär angeordnet. An die Rückseiten der Permanentmagnete 29 und 31 bzw. 30 und
32 jedes Paares ist eine gemeinsame, ringförmige Rückschlußplatte 33 bzw.
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34 aus Eisen angeklebt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Permanentmagnete
29 bis 32 so angeordnet, daß jeweils zwei beiderseits der Rückschlußplatte 28 einander
gegenüberliegende Permanentmagnete 29 und 30 bzw. 31 und 32 der Rückschlußplatte
28 gleichnamige Pole zuwenden, und zwar die in Fig. 1 oberen Permanentmagnete 29
und 30 jeweils den Nordpol und die in Fig. 1 unteren Permanentmagnete 31 und 32
jeweils den Südpol. Es sind somit vier Luftspalte gebildet, in denen sich die Drehspule
27 bewegt, welche in der Gabel 26 durch Distanzstücke 35 und 36 und durch eine Befestigungsmutter
37 befestigt ist. Zur Stromzufuhr zur Drehspule 27 dienen Spiralfedern 38 und 39,
welche über Leitungen 40 und 41 mit einer Anschlußdose 42 bzw. zwei der Kontakte
43 derselben in Verbindung stehen.
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Bestimmte Kontakte 43 der Anschlußdose 42 sind über Leitungen 44,
45 und 46 mit einem Weggeber 47 verbunden, der beispielsweise aus einer Differentialfeldplatte
besteht, deren magnetisches Gleichgewicht durch einen Ringnocken 48 am benachbarten
Ende des Ventilkörpers 2 beeinflußbar ist, so daß die jeweilige Axialstellung des
Ventilkörpers 2 im Ventilgehäuse
1 auf magnetischem Wege durch
den Weggeber 47 festgestellt wird. Es können auch beliebige andere, beispielsweise
induktive, Weggeber verwendet werden.
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Das die jeweilige Axialstellung des Ventilkörpers 2 im Ventilgehäuse
1 bzw. bezüglich des damit verbundenen Weggebers 47 repräsentierende Ausgangs signal
des Weggebers 47 wird als Istwert einem elektrischen Regelkreis zugeführt, um mit
einem Sollwert verglichen zu werden und ein Fehlersignal zu erzeugen, welches eine
solche Verschwenkung der Drehspule 27 und somit Axialbewegung des Ventilkörpers
2 im Ventilgehäuse 1 bewirkt, daß der Istwert sich dem Sollwert angleicht. Dazu
wird an die über die Leitungen 44, 45 und 46 mit dem Weggeber 47 verbundenen Kontakte
43 der Anschlußdose 42 eine mit einem als Potentiometer ausgebildeten Sollwertgeber
49 verbundende Vergleichsstufe 50 angeschlossen, welche ausgangsseitig mit einem
Regelverstärker 51 in Verbindung steht, welcher über die Leitungen 41 und 40 mit
der Drehspule 27 verbunden ist. Statt von einem als Potentiometer ausgebildeten
Sollwertgeber 49 beaufschlagt zu werden, kann in der Praxis eine sich schnell ändernde,
elektronisch gewonnene Größe der Vergleichsstufe 50 als Sollwert zugeführt werden.
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In Fig. 1 und 2 ist das elektro-hydraulische Regelventil in der neutralen
Mittelstellung wiedergegeben. Die Drehspule 27 ist aus der in Fig. 2 mit ausgezogenen
Linien dargestellten Neutral- oder Mittelstellung um einen Winkel von etwa 45 nach
beiden Seiten bis in die eine oder andere Endstellung 27a bzw. 27b drehbar, die
in Fig. 2 gestrichelt angedeutet sind. Daraus sind auch Schrauben 52 und 53 zur
Befestigung der Rückschlußplatte 34 sowie Schrauben 54
und 55 zur
Befestigung der Rückschlußplatte 28 ersichtlich, welche sich innerhalb der Drehspule
27 erstreckt. Die Drehspule 27 kann, wie dargestellt, zwecks weiterer Verringerung
ihres Trägheitsmomentes in vorteilhafter Weise freitragend gewickelt sein und lediglich
zwei Nabenteile 56 und 57 aufweisen. Ein Träger fehlt also.
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Das dargestellte, elektro-hydraulische Regelventil funktioniert folgendermaßen.
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Wird die Drehspule 27 über die Leitungen 40 und 41 mit Spannung beaufschlagt,
so führt sie eine Drehbewegung aus. Diese wird über die Hülse 23 auf den Ventilkörper
2 übertragen. Dieser verschraubt sich aufgrund des in die Gewindeträger 18 und 19
eingreifenden Außengewindes 17, so daß der Ventilkörper 2 sowohl eine Drehbewegung
als auch eine Axialbewegung ausführt. Die Axialbewegung steuert die Verbindung zwischen
den Anschlußöffnungen 9 und 8 oder 9 und 10. Die Drehspule 27 macht diese Axialbewegung
mit.
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Sämtliche drehbaren Komponenten sind dabei allein über die kolbenförmigen
Schließglieder 3 und 4 des Ventilkörpers 2 hydrostatisch gelagert.
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Die jeweilige Axialstellung des Ventilkörpers 2 im Ventilgehäuse
7 wird durch den Weggeber 47 erfaßt, der ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt,
und zwar auf den Leitungen 44, 45 und 46 zu den damit verbundenen Kontakten 43 der
Anschlußdose 42. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise im oben geschilderten
Regelkreis verarbeitet werden, wie erläutert.
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Das Trägheitsmoment der Drehspule 27 ist dann besonders gering, wenn
man die Drehspule 27 ohne Spulenkörper bzw. Träger auf einer Form freitragend wickelt
und hernach die einzelnen Drahtwindungen mit einem Kleber verfestigt.
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Gegenüber bisherigen Regelventilen mit hydraulischer Vorsteuerstufe
vermittelt das erfindungsgemäße, elektro-hydraulische Regelventil verschiedene,
beachtliche Vorteile. Durch den Wegfall feiner und genau kalibrierter Düsen oder
entsprechender Komponenten der Vorsteuerstufe ist eine wesentlich gröbere Filterung
des Druckmittels ermöglicht, also nicht mehr die üblicherweise erforderliche, feine
und starke Filterung nötig. Dies hat nicht nur zur Folge, daß billigere Filter zum
Einsatz kommen können, sondern vermindert auch den Druckverlust in dem bzw. den
Filtern. So lassen sich bei dem erfindungsgemäßen, elektro-hydraulischen Regelventil
Filter mit Porendurchmessern von 63/u verwenden, während sonst Porendurchmesser
von etwa 5 Z üblich sind.
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Bei den bisher bekannten Regelventilen macht die Vorsteuerstufe einen
gewissen Mindestdruck des jeweils verwendeten Druckmittels, in der Regel Hydrauliköl,
erforderlich, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren zu gewährleisten. Demgegenüber
ist das erfindungsgemäße, elektrohydraulische Regelventil vollkommen druckunabhängig,
so daß es in einemwesentlich weiteren Druckmittel-Druckbereich verwendet werden
kann. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die für die Vorsteuerstufe bei üblichen Regelventilen
benötigte Menge an Druckmittel bzw. Hydrauliköl nicht benötigt wird. Durch beides
wird ein besonders guter hydraulischer Wirkungsgrad erzielt.
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Das erfindungsgemäße, elektro-hydraulische Regelventil besteht dabei
aus verhältnismäßig wenigen, relativ einfachen und großen Bauteilen, so daß keine
speziellen Fertigungseinrichtungen und keine besonders geschulten Fachkräfte für
die Herstellung erforderlich sind, welche damit sehr kostengünstig erfolgen kann.
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Rotor, Ventilkörper und Weggeber lassen sich als kompakte, robuste
Baueinheit herstellen, welche in ein und derselben Ausführung in Regelkreise der
verschiedensten Art eingebaut werden kann. Dies ermöglicht eine rationelle und kostensparende
Lagerhaltung.
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Ein weiterer Vorteil liegt im Wegfall verwickelter, mechanischer
Justierarbeiten. Die Anpassung an den elektrischen bzw. elektronischen Regelkreis
erfolgt auf einfachste Weise elektrisch bzw. elektronisch durch Verstellen eines
Justierwiderstande 5.
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Schließlich ist eine hohe Verstellgeschwindigkeit erzielbar, welche
der Verstellgeschwindigkeit von bekannten Regelventilen mit Vorsteuerstufe entspricht
und im Millisekunden-Bereich liegt.
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Aus allen diesen Gründen ist das erfindungsgenäße, elektro-hydraulische
Regelventil vor allem auch bei Eraftfahrzeugen einsetzbar.
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