DE2701434C2 - Elektromechanisch betätigtes Ventil - Google Patents

Description

a) die Anwendung eines Magnetkernaggregats, das mindestens zwei im Abstand voneinander befindliche und im wesentlichen parallele Luftspalte ,derart aufweist, daß an den beiden Luftspalter, irtigleichnamige Polflächen einander gegenüberstehen und die Polarisierung an den beiden Luftspalten entgegengesetzt ist,

b) die Anordnung des einen Spulenabschnitts (22; 43; 45; 53) der elektrischen Spule (11; 41, 4V) zwischen den Magnetpolen (27, 27') in dem einen Luftspalt und des anderen Spulenabschnitts (23; 46; 54) zwischen den Magnetpolen (28,28') in dem anderen Luftspalt, und

c) die Ausbildung der elastischen Aufhängevorrichtung dvrch einen Satz von Federn (60; 80), welche radial und in gleichen Winkelabständen um die Mubachse (F,) des /erschlußstücks (30; 59) herum angeordnet rind und an diesem bzw. dessen Tragkörper (30'; 57, il ή angreifen.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federsatz drei Schraubenfedern (60; 80) aufweist.

3. Ventil nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (30) über einen Steg (13) mit einem Träger (14) für die elektrische Spule (11) verbunden ist und daß der im wesentlichen starre Träger (14) mittels mindestens einer elastischen Blattfeder (20; 43, 43'; 63, 64; 87) aufgehängt ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spule (11) zur Bildung eines großen Hebelarmes an einem Ende des Trägers (14) und das Verschlußstück (30) und der Steg (13) an einer Stelle des Trägers (14) angeordnet sind, die sich in geringerem Abstand zur Schwenkstelle der Blattfeder (20) befindet als die elektrische Spule (11).

5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß je eine elektrische Spule (41, 41') an eisern Ende eines Trägers (42') angeordnet ist, der etwa mittig mittels einer Blattfeder (43') aufgehängt ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Trägers (42) im wesentlichen parallel zu den Spulenabschnitten (45,45', 46') verläuft.

7. Ventil nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse des Trägers (42, 42') im M wesentlichen rechtwinklig zu den Spulenabschnitten (45,45', 46') verlauft.

8. Veniil nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (59) bzw. dessen Tragkörper (57, 57', 61) an einem Arm des Trägers (52) angeordnet ist, der von einem der Spulenabschnitte (53,54) nach außen absteht (F i g. 6).

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spule in den Träger (52', 52") eingebettet ist.

10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper mittels einer Einstellvorrichtung (89, 90, 31, 92, 93) in Hubrichtung einstellbar ist.

11. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (82) über ein Flüssigkeitsdämpfungsaggregat (100, 101,103) mit dem Ventilgehäuse (70) verbunden ist.

12. Ventil nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (82) an einer Dämpfungsplatte (100) aufgehängt ist, die sich einerseits auf der Innenwand (99) eines Ventilgehäuseansai/.cs (71) abstützt, andererseits in knappem Abstand (>03) /ur Innenwand des Vemilgehäuseansaizes (71) an dieser Innenwand entlang bewegbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisch betätigbares Ventil öer im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Ein derartiges Ventil ist bereits bekannt (US-PS 30 04 546). Obwohl sich derartige elektromechanisch betätigbare Ventile bereits gut bewährt haben, bleiben noch Wünsche nach möglichst weitgehender Hysteresefreiheit und Linearitätsgenauigkeit offen.

Darüber hinaus ist es bekannt (US-PS 34 73 547). die entgegengesetzten Enden einer drehbar gelagerten Platte in den im wesentlichen parallelen Luftspalten von Magnetkernaggregaten zu lagern, um elektromagnetische Wirkungen vom Magnctkcrnaggrcgat in Abhängigkeit vom Quadrat des Magncii,"^;rrungsstrom.s zu übertragen.

Ferner ist es bekannt (US-PS 28 4/ 619). eine im wesentlichen ebene Spulenschleife so in zwei Luftspalten + ines elektromagnetischen Systems zu lagern, daß entgegengesetzte Seiten der Flachspule unterschiedlich magnetisiert werden.

Schließlich ist ein Entlastungsventil bekannt (DE-OS 16 00 720), bei dem ein ringförmiger Anker von einem Satz von Drähten gehalten ist, welche radial um die Hubachse des Ankers in gleichen Winkelabständen herum angeordnet sind und dessen Hin- und Herbewegung in Abhängigkeit von den von einem Elektromagneten erzeugten Kräften gestatten. Dabei hai der Anker die Aufgabe, ein hydraulisches Fluidum mehr oder weniger stark abzusperren.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, das Ventil der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß die im wesentlichen lineare und hysteresefreie Abhängigkeit der Hubverstellung vom Magnetisierungs- bzw. Erregerstrom durch einen einfacheren und raumsparenderen Aufbau möglich ist. Hierdurch soll eine Präzisionsvorrichtung geschaffen wer den. wie sie vor allem zur Anwendung bei berührungsloscn Steuerungen gewünscht wird, die bei clektrohydraulischen, proportional wirkenden Überdruckventilen unter Vermeidung der Verwendung elektronischer Meßgrößenumformer mit Rückführung erwünscht sind.

Die Erfindung ist im Kennzeichenteil des Patcnian-

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Spruchs 1 gekennzeichnet, dessen Merkmale mit den im Oberbegriff" aufgeführten Merkmalen zur Lösung der obengenannten Aufgabe zusammenwirken.

Trotz eines einfachen Aufbaus wird eine lineare Abhängigkeit der Hubbewegung vom Erregerstrom gewährleistet; darüber hinaus wird auch eine ins Gewicht fallende Hysterese vermieden, so daß für ein und denselben Stromwert immer ein und dieselbe Stellung des Verschlußsiückcs erreichbar ist. Dies ist für Präzisionsinstrumente besonders wichtig.

D;izu sind auch am Ende der Figurenbeschreibung noch genajere Ausführungen im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen der Erfindung gemacht

Weitere Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in Unierarisprüchen beansprucht Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Federsatz durch drei Schraubenfedern gebildet wird, weil dies die minimalste Anzahl bei trotzdem optimaler Lagerung des Verschiußstückes bedeutet, das praktisch mittig gelagert ist, andererseits aber hysteresefrei in Axialrichtung, d. h. in riubrichtiing des Verschlußstücks, auslenkbar ist.

Das mechanisch bewegte Teil kann durch das hydraulische Medium gedämpft werden, dessen Durchfluß durch das Ventil gesteuert werden soll.

Nachstehend Wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispiclen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung einer Ausführungsform;

Fig.2 eine vereinfachte Schemazeichnung zur Veranschaulichung der Teile gemäß F i g. 1;

Fig.3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschs'jlichung einer weiteren Ausführungsform, für die ebenfalls die Schemazeichnung der F τ g. 2 gilt;

F τ g. 4 bis. 8 teilweise weggebrochene perspektivische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele;

Fig.9 und 10 Schnitte durch ein spezielles hydraulisches Ventii, nämlich F i g. 9 ein Längsschnitt durch das Ventil im unbetätigten Zustand und Fig. 10 ein Querschnitt entlang der Linie 10-10' in Fig.9 im betätigten Zustand des Ventils, und

F i g. 11 einen vereinfachten, teilweise weggebrochenen perspektivischen Ausschnitt zur Veranschaulichung eines Teiles des Ventils gemäß Fig. 9 und 10 zur Veranschaulichung der Flüssigkeitsdämpfungseinrichtung.

Fi g. 1 veranschaulicht eine Ausfünrungsform anhand ihrer Anwendung bei einer elektromechanischen Betätigungseinrichtung oder einem MeßgrößenumfortTier, bei der die Stromstärke eines bei Anlegen einer Spannung ;in die flexible Zuleitung 10 einer Spule 11 fließenden Stromes je nach Wunsch an einer Stelle der Stege 12 oder 13 entlang eines eine Spule tragenden Trägers 14 eine Betätigungskraft als Ausgangsgröße erzeugt. Dabei geben die dick ausgezogenen Pfeile 12, 13 die einzige Richtung und die relative Größe der Ausgangskrsft an den angegebenen Stellen schematisch an. Der Träger 14 ist aus einem unmagnetischen Material geringen Gewichtes, wie Aluminium oder Preßkunststoff, hergestellt; er weist, im Vergleich zum Querschnitt, lange Armc, einen oberen 15 und einen unteren 16, sowie diese verbindende Stege oder Abstandhalter 17, 18 auf, von denen wahlweise der eine oder der andere als Kraftausgang 12 bzw. 13 zur Verfügung steht. An seinem die Spule tragenden Ende ist ein Steg 19 des Trägers 14 dargestellt, der mit Nuten für die Aufnahme der oberen und unteren Teile der Spule 11 und das Einkleben derselben versehen ist. Eint reibungslose Lagerung des anderen Endes wird mittels einer steif-elastischen Blattfeder 20 erzielt, die in wirksamer Weise eine in bezug auf die feste Rahmenkonstruktion 21 foste, stehende Schwenkachse bildet. Die Windungen der Spule 11 können im allgemeinen rechteckig sein; wichtig ist, daß sie im Abstand voneinander liegende seitliche Wicklungsabschnitte 22, 23 enthalten, die im wesentlichen parallel in einer zur Längsrichtung des Trägers 14 allgemein senkrechten Ebene liegen, die in einem wesentlichen Abstand von der von der elastischen Einrichtung in Form der Blattfeder 20 gebildeten Achse der Schwenklagerung zu dieser Achse parallel liegt.

Die in einem Abstand voneinander liegenden Abschnitte 22, 23 der einzigen Spule 11 liegen in je einem von zwei entgegengesetzt polarisierten Luftspalten eines Magnetkernaggregats, das in F i g. 1 in Form von zwei Kernteilen 24,25 angedeutet ist, die an einer unmagnetischen Tragkonsolenkonstrukticn 26 fest montiert sind. Das Kernelement 24 ist im allgemeinen U-förmig und in der Öffnung des Trägers zwischen den Stegen 17, 19 frei aufgenommen. Das Element "4 endet in ebenen Fölflachen 27, 28, die in einer zur ELcnp. der Ruhestellung der Spulenabschnitte 22,23 im wesentlichen parallelen Vertikalebene liegen. Diese Polflächen sind rechteckig und von verhältnismäßig großer Vertikalausdehnung ur\d befinden sich in der Nähe der Spulenabschnitte 22, 23, in Deckung mit diesen. Das Element 24 ist polarisiert, beispielsweise indem durch eine mit dem Magnetkern gekoppelte Spule ein Magnetisierungsstrom geschickt wird, insbesondere wird jedoch ein permanent magnetisiertes Kernmaterial mit e-inem Nordpol (N)be\ 28 und einem Südpol (S)bei 27 verwendet. In ähnlicher Weise liegen die Polflächen 27' und 28' des Kernelementes 25 den Flächen 27 und 28 direkt gegenüber, und das Element 25 ist derart polarisiert, daß einander an den beiden Luftspalten ungleichnamige Polflächen gegenüberstehen und die Polarisierung an den beiden Luftspalten entgegengesetzt ist, wie dies durch die Einschriften »N« und »S« an den Enden der Kirnelemente 24,25 angedeutet ist.

Die Kernelemente 24,25 und ihre Luftspalte (bei den Magnetpolen 27, 28) bilden eine einzige geschlossene polarisierte Magnetflußschieife, in der der Magnetfluß durch den Spalt am Magnetpol 27 demjenigen durch den Spalt am Magnetpol 28 gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Da nun die Richtung eines in dem Spulenabschnitt 22 fließenden Gleichstroms demjenigen, der durch den Abschnitt 23 fließt, immer gleich stark und entgegengesetzt ist. entwickeln die Wicklungsabschnitte 22, 23 übereinstimmende Kraftreaktionen in gleicher Richtung in der Ebene der Abschnitte 22, 23, so daß um die wirksame Schwenkachse der Blattfeder 20 ein Drehmoment erzeugt wird. Diese KraftreaK-t'oni·?! ">ind additiv und treten in verhältnismäßig großem Radialabstand von der wirksamen Schwenkachse an der Blattfeder 20 auf. so daß die an den Stegen 12 oder 13 abgegriffene Kraft im Hebelveriiältnis verstärk: ist.

Fig. 2 veranschaulicht schematisch die grundlegenden Teile der Konstruktion gemäß F i g. 1 und ermöglicht in bequemer Weise die Veranschaulichung der Dimensionsverhältnisse. Die Reaktionskraft der Elektromagnetspule ist mit F₁ bezeichnet und tritt am Punkt größten effektiven Radialabstandes X von der elastischen Lagerung entsprechend der vollen Länge des Trägers 14 auf. Die am Steg 13 abgegriffene Ausgangskraft ist mit F₁ bezeichnet und tritt an einem Ort geringeren effektiven Rndialabstandes Kauf, und ihre Größe hängt

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daher von dem Hebelverhältnis X : Y( Vam Steg 13) ab. Zu Veranschaulichungszwecken wirkt bei dem dargestellten Beispiel der Steg 13 als Krafiabgriff oder -ausgang auf den Träger eines kugelförmigen Ventilkörpers des Verschlußstückes 30 in Richtung auf das offene Aus- ■> [rittsende eines Kanals für den koniinuieriichcn Mediumdurchfluß im Gehäuse 31 eines Pilotventils, wie dies durch Pfeile angedeutet ist.

Für den Fall einer wirksamen Länge jedes Spulenabschnittes 22, 23 von 25 mm bei einer Spule 11 mit 1000 Windungen und einer maximalen Stromstärke (I) von 0.60 A bei einer Magnetflußdichte von 2000 G im Luftspalt beträgt die Kraft an den .Spulenabschnitten, wie aus der folgenden klassischen Beziehung direkt errechenbar ist. 6 N: r,

F = -y- = 2 ■ v.■ ■ B- I- I IO

F die Kraft in N (Newton).
M das Drehmoment,
die Windungszahl.

B die Magnetflußdichte in G (Gauß)(im Luftspalt), :ϊ

/ die wirksame Länge des Wicklungsabschnittes in m,

/ den Spulenstrom in A und

r herkömmlich den Spulenradius, im vorliegenden Fall der Radialabstand der Spule vom Schwenkla- jo ger des Träger 14 (in Fig. 2 mit X bezeichnet)

bedeutet.

F= 2 · 1000 · 2000 ■ 0,025 · 0,6 · 10"⁴ = 6 N J5

Diese klassische Beziehung wird normalerweise in Verbindung mit dem Radius um eine Drehachse angewendet, um das Drehmoment um diese Achse zu bestimmen, und in diesem Zusammenhang trägt jeder der beiden Spulenabschnitte eine Hälfte der Kraft (in entgegengesetzten Richtungen um die Achse) bei; da es sich aber hier um eine geradlinige Ausgangsgröße handelt (sie besteht nämlich aus den gleichgerichteten Kräften der beiden gegenüberliegenden Spulenabschnitte), ist im vorliegenden Fall die Kraft F₁ das Doppelte der Kraft für den einzelnen Abschnitt, nämlich 6 N. und wenn das Hebelarmverhältnis Λ' .· Y = 5:1 ist, wird F₁ = 30 N. Dies ist eine höchst brauchbare maximale Steuerkraft für den Betrieb des Pilotventilkörpers 30.

Die abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 3 weicht von derjenige gemäß F i g. 1 insoweit ab, als der Raumbedarf für den Träger 14' für die Lagerung der Drehspule ti wesentlich vermindert werden kann, indem die Magnetkemeinrichtung zur Schaffung der entgegengesetzt polarisierten Luftspalte abweichend ausgebildet ist. Die elastische Lagerung bleibt die gleiche wie oben beschrieben, so daß hier die gleichen Bezugszeichen verwendet werden können. Gemäß Fig.3 ist die Magnetspule 11 in Ausschnitten oder Nuten an den Enden der oberen und unteren Trägergurten 15' gelagert und gehalten, und die abstandhaitenden Stege 17', 18' sind der vertikalen Ausdehnung der Spule 11 entsprechend verkürzt. Die entgegengesetzt polarisierten Luftspalte für die seitlichen Spulenabschnitte 22,23 sind als gleiche, entsprechend polarisierte Kernelemente 33, 34 ausgebildet, deren jedes die gegenüberliegenden Polflächen eines der beiden Luftspalte trägt. Die Poiarisierung ist auch hier durch die Zeichen »N« und »S« bezeichnet und ist, wie ei sichtlich, die gleiche wie in dem Schema der F i g. 2. das auch für Fig. I gilt. Jedes der Kernelemente 33, 34 kann von cinstückiger Konstruktion oder auch aus zwei getrennten Hälften gebildet sein, die an den in unterbrochenen Linien angedeuteten Trennflächen 33', 34' stumpf aneinanderstoßen. Die Wirkungsweise ist in jeder Hinsicht die gleiche wie gemäß Fig. 1.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist die Dreh spule 41 am einen Ende eines streifenartigen Trägers 42 getragen, der ii;ittcls eines verhältnismäßig steifen elastischen Gliedes 43 von einem festen Anbauglicd 44 nach unten vorspringend gelagert ist. Die Art der Aufhängung ist derart, daß durch den biegsamen Charakter des Gliedes 43 eine wirksame Schwenkachse geschaffen ist. die zur Ebene der in einein Abstand voneinander liegenden parallelen Abschnitte 45, 46 der Spule 41 unter rechten Winkel und im wesentlichen in einem Ab-

und 46 sind in je einem von zwei entgegengesetzt polarisierten Luftspalten angeordnet, die zwischen den !!lementen 47, 48 eines Magnetkernes gebildet sind, wie dies im Zusammenhang mit den Elementen 24, 25 gemäß F i g. 1 oben näher beschrieben wurde. Der Träger 42 kann aus geeignetem unmagnetischem Matei u!. wie Aluminium oder Kunststoff, hergestellt sein, und die Spule 41 kann nach Belieben daran befestigt oder darin eingesetzt ..ein. Günstig ist es, die Zuleitungen 49 der Spule an die eine Fläche des Trägers 42 anzukleben, so daß der elektrische AußenanschluU der Vorrichtung an einer Stelle des Trägers angeordnet werden kann, an der der Ausschlag geringer ist. Abgesehen von der unterschiedlichen Ausrichtung der effektiven Schwenkachse ist die Wirkungsweise gemäß F i g. 4 die gleiche, wie oben anhand der Fig. 1 beschrieben, und der Abgriff der Ausgangskraft an dem Träger 42 ist durch einen vnl! ausgezogenen Pfeil F_; angedeutet, und die Ausgangskraft rührt auch hier von der Reaktionskraft der Spule bei F, ab.

Die untere Hälfte der Ausführungsform gemäß F i g. 5 ist, wie leicht zu erkennen ist. ähnlich der Ausbildung gemäß Fig.4, und es werden daher übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Der Unterschied besteht darin, daß gemäß F i g. 5 der Träger 42 erheblich länger ist; er ist im wesentlichen in der Mitte schwenkbar gelagert, und die Lagerung besteht aus einer einzigen elastischen Blattfeder 43. deren Ende in einem festen Anbauteil 44' befestigt ist, der, wie dargestellt, mit reichlichem seitlichem Spiel gegenüber den Rändern einer breiten zentralen Öffnung 50 in dem Träger 42' angeordnet ist. Am anderen Ende trägt der Träger 42' eine zweite elektrische Eingangsspule 41'. die ebenfalls der allgemeinen Beschreibung der Spule 41 entspricht und gegenüberliegende parallele Abschnitte 46', 47' aufweist, die innerhalb der in einem Abstand voneinander liegende, entgegengesetzt polarisierten Luftspalte zweier weiterer fest montierter Magnetkernelemente 47', 48' angeordnet sind. Wie ersichtlich, wird bei Anlegen unterschiedlicher Gleichstrom-Eingangssignale bei 49, 49' jede der Spulen 41, 41' ein ihr eigenes Drehmoment um die von der elastischen Einrichtung 42' gebildete effektive Schwenkachse entwickeln und den Träger zu verschwenken suchen. Wenn diese Eingangssignale von entgegengesetztem Wirkungssinn sind, stellt die Ausgangskraft Fy ein Maß für den Unterschied zwischen den von den beiden Spulen entwickelten Kräften dar, und wenn diese Eingangssignale gleichsinnig sind, stellt

die Kraft F,' die Summe der beiden Spulenreaktionskräfte dar, und zwar mit einer Größe, die von dem Krafiarmvcrhiiitnis /wischen dem effektiven Radia'absiiind iles Kriif'abgriffes bei /·',' und den Radialabstänileii der beiden Spulen abhangt.

Abgesehen von der Fähigkeit der Konstruktion gemäß F i g. 5, in der beschriebenen Weise eine algebraische Summe zu bilden, ergeben sich weitere Vorteile für den Fall, daß sämtliche Teile symmetrisch ausgebildet und in bezug auf eine zentrale Achse des Systems, wie sie beispielsweise durch eine strichpunktierte Linie 40 angedeutet ist, ausbalanciert sind, !n einem solchen Fall ist eine weitere Symmetrie hinsichtlich der Trägeraufhängung erzielbar, indem die Blattfeder 43' derart verlängert wird, daß die obere gleich der unteren Hälfte des Trägers 42' mit dem feststehenden Anbauteil 44' verbunden werden kann. Durch das in dieser Weise durch die Symmetrie des Trägers und seiner Aufhängung erzielbarc mechanische Gleichgewicht, bei dem beide Symmetrien auf die gleiche Achse 40 bezogen sind, ist das System von Natur aus gegen mechanische Erschütterungen widerstandsfähig, die eine geradlinige körperliche Verschiebung oder Beschleunigung des Anbauteilcs 44' nach sich ziehen.

Die Ausführungsformen gemäß F i g. 6, 7 und 8 veranschaulichen Anwcndungsfällc, bei denen eine Aufhängung des Trägers entfallen kann, beispielsweise im Interesse einer äußersten Verminderung der Masse und somit der Trägheit oder zur Schaffung eines Abgriffs für die Ausgangskraft in der Ebene der in einem Abstand voneinander liegenden parallelen, antreibenden Abschnitte der Spule. Bei allen diesen Ausführungsformen wird die gewickelte Spule in einen geeigneten unmagnetischen Kunststoff, beispielsweise in glasfaserverstärkten Epoxydkunststoff, eingebettet, der zu einer relativ starren offenen Rechteckform aushärtbar ist. In Fig.6 ist die über Leitungen 51 mit Strom versorgbare Drehspuie in einer offen-rechieckigen Hüüc oder Form 52 eingebettet oder eingeschlossen, und die in einem Abstand voneinander befindlichen parallelen antreibenden Spulenabschnitte 53, 54 sind in in einem Abstand voneinander liegenden parallelen und entgegengesetzt polarisierten Luftspalten zwischen Magnetkernelementen 55, 56 von der anhand der F i g. I beschriebenen Art in beweglicher Weise angeordnet. Einstückig mit der Hülle, d. h. dem Träger 52, mit der darin eingebetteten Spule sind gegenüberliegende auswärts vorspringende Anbauarme und damit einstückig verbundene Anbaubunde 57, 58 verbunden, die durchwegs mit der Richtung der von der Spule entwickelten Kraft, nämlich in der Ebene der Abschnitte 53,54 und zu diesen unter rechtem Winkel, liegen. Einer der Bunde 57, 58 oder beide können derart ausgebildet sein, daß sie einen hier kugelförmig dargestellten Ventilkörper, dem Verschlußstück 59, beispielsweise für die Anwendung bei einem Durchfluß-Pilot ventil der bei 30,31 in F i g. 2 angedeuteten Art. dauernd halten. Zur Ausschaltung der Reibung sowie der mechanischen Hysterese in der Lagerung des Trägers 52 ist eine volielastische Lagerung oder Aufhängung schcmatisch angedeutet, die aus drei in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Federn 60 besteht, mit denen jeder Bund 57 (58) mit der nicht dargestellten Außenrahmenkonstruktion verbunden ist. Bei einer solchen Aufhängung sind natürlich die Hubbewegungen der Verschlußstücke sowie die Hubkräfte von Natur aus in bezug auf die Achsrichtung der entwickelten Spulenkraft selbstzentrierend.

F i g. 7 ist. wie leicht zu erkennen, ähnlich F i g. 6, und somit werden hier, soweit brauchbar, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die die Spule einschließende Hülle 52' gemäß F i g. 7 ist jedoch mit einem wellenartigen Fortsatz als Tragkörper 61 aiisgcMaiiet. der in der ^r, Richtung der von der Spule entwickelten Kraft liegt. Dieser Schaft b/.w. Tragkörper 61 kann Teil eines Ventilmechanismus sein, der im übrigen nicht dargestellt ist. Beispielsweise kann am äußeren Ende des Schaftes ein Schieberkolben oder ein sonstiges Ventilglied gebildet oder montiert sein, so daß der Schaft als Teil eines Ventilkörpers bzw. Verschlußstückes betrachtet werden kann. Im Falle, daß eine solche Konstruktion an ihrem äußeren Ende geführt ist, kann gegebenenfalls, jedoch nicht notwendigerweise, eine elastische Lagerung im Bereich der von der Spule entwickelten Kraft erforderlich sein. Daher ist in F i g. 7 nur eine solche Aufhängung 60 dargestellt.

Auch die Ausbildung in F i g. 8 ist ähnlich der nach Fig. 6, und auch hier finden, soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen Anwendung. Der Unterschied der Ausbildung gemäß Fig.8 besteht darin, daß die Lagerung der die Spule umgebenden Hülle 52" mittels zweier rahmenfester in einem Abstand voneinander parallel angeordneter elastischer Blattfederelemente 63, 64 gelagert ist, an deren unteren Enden, wie dargestell', die Fcrmabschnitte 53", 54" für die vertikalen Spulenabschnitte verankert sind. Der Kraftabgriff ist durch einen voll ausgezogenen Pfeil Fo angedeutet.

F i g. 9 und 10 veranschaulichen eine spezielle Ausführungsform, die besonders zur Anwendung als erstes Pilotventil oder Pilotventil der ersten Stufe eines mehrstufigen ekktro-proportionalen Entlastungsventils für ein hydraulisches Hochdrucksystem geeignet ist.

Das Gehäuse für das Ventil gemäß Fig. 9 und 10 weist ein längliches, rohrförmiges Gehäuseteil 70 mit einem einstückig angesetzten Abschnitt 71 am einen Ende und einem abnehmbaren Verschluß in Form eines geflanschten Stopfens oder einer Piaüc 72 tiiii einer 0-Ringdichtung 73 an dem im übrigen offenen anderen Ende auf. Übereinstimmende Eck- oder Augenflansche 74 an dem Stopfen 72 und an dem benachbarten Ends, des Gehäuses 70 ermöglichen das Anschrauben des Stopfens bei 74' an dem Gehäuse 70. Der angesetzte Abschnitt 71 ist von allgemein rechteckigem Querschnitt und ist mittels einer abnehmbaren rechteckigen Zugangsplatte 75 verschlossen, die mittels einer Dichtung abgedichtet und mittels bei 76 an den Ecken angedeuteter Schrauben befestigt ist.

Medium unter hydraulischem Druck tritt in den Kammerhohlraum des Ventils durch den Kanal eines eingeschraubten Sitzes 78 ein, der im mittleren Bereich i'er Platte 72 befestigt und abgedichtet ist; das strömende Medium verläßt das Ventil durch einen Austrittskanal 77 in der Platte 72. An der Innenseite der Platte 72 ist ein ringförmiges Basisglied 79 derart montiert, daß es den beschriebenen Ein- und Austrittskanal umgibt und eine geeignete Abstützung für mehrere in Winkelabständen angeordnete Schraubenfedern 80 bildet, mittels welcher eine Anordnung 81 mit einem Ventilkörper für das Zusammenwirken mit dem Einlaßkanal des Einschraubsitzes 78 aufgehängt ist. Diese Anordnung 81 weist, wie ersichtlich, einen verbreiterten Halter für die Verankerung der inneren Enden der Federn 80 und zum Halten einer Ventükugel in der Nähe der Mündung des Kanals im Einschraubsitz 78 auf, wie dies bereits im Zusammenhang mit den Verschlußstöcken 30, 3C der F i g. 2 und 57,59 der F i g. 6 allgemein beschrieben wurde.

LI Vl

Die Ventilkörperanordnung 81 wird durch eine Schubkraft unter erheblicher mechanischer Hebelverstärkung von einem Trager 82 betätigt, der durch die Kraftreaktion zwischen einer Erregerwicklung oder einer Magnetspule 83 und zwei gleichen, entgegengesetzt polarisierten Magnetelementen 84, 84' elektromagnetisch eingestellt wird, die ihrerseits bei 85 im hinteren Bereich des Ventilgehäuses 70 befestigt sind. In der Gegend der Ventil »örperbetatigung ist der Träger 82 mittels Einrichtungen 86 an das eine Ende einer elastischen Blattfeder 87 angeklemmt, und das andere Ende der Blattfeder 87 ist in ähnlicher Weise an einem versetzten Anbauteil 88 des Basisgliedes 79 angeklemmt. Wie ersichtlich, wird durch diese elastische Anbringung in wirksamer Weise eine Trägerschwenkachse geschaffen, die in dem kurzen Abstand zwischen der Einrichtung 86 und dem versetzten Teil 88 untergebracht und zur Zeichnungsebene der F i g. 9 unter rechtem Winkel angeordnet ist.

Der dareestellte Mechanismus fur Hip VcrhinHnncr des Trägers mit der Ventilkörperanordnung 81 weist, wie Fig. 9 zeigt, einen kraftzentrierenden Schieber 89 auf, der in einer Längsbohrung in dem benachbarten Ende des Trägers 82 geführt ist. In dieser Bohrung ist eine Vorspannfeder 90 eingeschlossen, die normalerweise bestrebt ist, den Zentrierschieber 89 nach links, d. h. in Schließrichtung des Hubventils, zu bewegen. Das zugespitzte Ende des Schiebers 89 ist in der konischen Vertiefung eines Schubklotzes 91 zentriert, der den Schub auf die Ventilkörperanordnung 81 über eine verhältnismäßig steife Schraubenfeder 92 überträgt und somit die Gefahr von Ausrichtungsfehlern der Kraft als Funktion der Stellung des Trägers vermindert; eine Stellschraube 93 zwischen den Enden einer Nut in dem Schieber 89 hält die aus dem Schieber und dem Träger bestehende Anordnung zusammen, ohne die Verschiebebewegungen des Schiebers innerhalb eines Bereiches möglicher Schieberstellungen in der Führungsbohrung zu beeinträchtigen.

Das Ventil gemäß Fig.9 bis 11 ist für den festen Einbau in einer gegebenen Maschine, in einer Steuerzentrale od. dgl. bestimmt, und die Zeichnung zeigt das Ventil in seiner Einbausifllung. So ist in Fig. 9 die Längsachse des Gehäuses 70 horizontal, und der Träger 82 schwenkt um seine horizontale Achse auf und ab, die von der Blattfeder 87 gebildet ist. Um die auf den Träger 82 wirkenden Schwerkraftmomente aufzuheben, sind an einem oberen und einem unteren Gehäusestopfen 94,95 geeignete, voneinander unabhängig einstellbare Einrichtungen für die Voreinstellung einer »positiven« Vorspannung an einer ersten Feder 96 von unten und einer »negativen« Vorspannung an einer zweiten Feder 97 von oben montiert. Die Resultierende aus diesen entgegengesetzten Vorspannkräften wird in wirksamer Weise an der Längsachse des Trägers 82, im wesentlichen unter rechtem Winkel zu diesem, zur Wirkung gebracht.

Die feststehenden Magnete 84,84' bilden, wie bereits der obigen Beschreibung zu entnehmen ist. einen oberen und einen unteren Luftspalt entgegengesetzter Polarisierung, deren jeder einen der vertikalen, im Abstand voneinander liegenden parallelen Längsabschnitte der Spule 83 aufnehmen. Der Einfachheit halber ist die Spule 83 auf einem Spulenkörper 98 aufgewickelt dargestellt, der an dem Träger 82 zwischen der oberen und der unteren Ausbildung 82' des gegabelten Endes des Trägers 82 angebaut ist.

Wie ersichtlicht. weist ferner der Ventilgehäuseansatz 71 ein Sims oder eine Plattform 99 für die Aufnahme des abwärtsgebogenen Endes einer Flüssigkcitsdämpfcrplatte 100 auf. Die Platte 100 ist im übrigen in einer Wellung eines auliechten gebogenen Drahtes 101 angeordnet, der bei 102 an dem oberen Gabelende 82 am äußeren Ende des Trägers 82 angeklemmt ist. Die Dämpfcrplattc 100 ist von im wesentlichen rechteckiger ebener Form und paßt mit verhältnismäßig knappem Spiel zwischen die benachbarten Wände des aufrechten Gehäuseansatzes 71, wie dies wohl am besten bei 103 in F i g. 9 und bei 104 in Fig. 10 ersichtlich ist. Die Dämpferplatte 100 ist im wesentlichen in der Mitte mit einer öffnung für die Aufnahme des Drahtes 10t versehen, jedoch ist der Ort dieser Öffnung aus der horizontalen Mitte leicht in der Längsrichtung von der Schucnk.ichse des Trägers fort verschoben, so daß jederzeit ein geringfügiges Schwerkraftmoment im Gc^enuhr/cigersinn (F i g. 9) wirksam ist. das bewirkt, daß sich die Platte 100 auf das Sims 99 auflegt, das eine wirksame Schwenkauflagerung bildet.

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mit hydraulischem Medium gefüllt, dessen Durchfluß von dem Hubventilkörper im Zusammenwirken mn dem Kanal des Einschraubsitzes 78 gesteuert ist. Die Vorspannfedern 96, 97 heben Schwerkraftmomente auf den Träger 82 in wirksamer Weise auf. so daß die in Schließrichtung des Hubventils wirksame Kraft jederzeit von der Größe des der Wicklung 83 zugeführten elektrischen Signals abhängig ist. Der Charakter des Krafsabgriffes von dem Träger 82 und der Übertragung auf die Ventilkörperanordnung 81 ist derart, daß die Reibung bis auf einen unbedeutenden Wert vermindert wird und ein praktisch hysicresefreicr Betrieb erzielbar ist. Bei Auftreten plötzlicher großer Änderungen des der Wicklung 83 zugeführten Erregerstronics bewirkt die Platte 100 eine gedämpfte Reaktion auf die Änderung, denn sie muß bei dem knappen Spiel gegenüber den benachbarten Wänden des Ansatzes 71 durch das hydraulische Medium hindurch bewegt werden.
Wie ersichtlich, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die beschriebenen Ausführungsformen vollständig gelöst: die Funktionsfähigkeit wurde in der Praxis bereits experimentell bestätig! Bei Anwendung der beispielsweise angegebenen Spulengröße und Magnetflußdichte sowie bei Eingangsstromstärken innerhalb des angegebenen Maximums wurde eine deutlich lineare Beziehung zwischen (a) der in zehn Stufen zu je 0,5 A gesteigerten Stromstärke und (b) dem bei der Ventilkonstruktion in Fig. 2 durch einen Pfeil bezeichneten Hydraulikdruck in dem Mediumstrom, d. h.

bei Verwendung der elastischen Trägeraufhängung und Ventilkörperbetätigung gemäß der Beschreibung anhand der F i g. 2, beobachtet, wobei die einzige zusätzliche weitere Maßnahme darin bestand, daß der Anbauteil 30' für das Verschiußstück gemäß F i g. 2 in einem aus drei Federn 60 bestehenden Netzwerk der für einen der Bunde 57, 58 in Fig.6 beschriebenen Art elastisch aufgehängt war. Bei diesen Beobachtungen betrug der Ventilsitzdurchmesser 1,25 mm und dies bedeutet, daß die erforderliche Ausgangskraft F_y des Meßgrößenumformers 0,0126 cm², d.h. 1,26 N/( 100 N/cm²) betrug. Diese lineare Beziehung wurde bei hydraulischen Drükken bis knapp unter 70 kp/cm² beobachtet, jedoch gibt es absolut keine Ursache, warum diese Linearität für ein Mehrfaches dieses Druckes nicht gleichfalls gelten sollte, wenn die beschriebenen Maßnahmen verwendet »" irden. Sehr wichtig ist, daß die beobachtete Beziehung zwischen Stromstärke und Druck ohne Hysterese, vollständig und reversibel wiederholbar ist; andererseits

27 Ol

11

zeigfe die vergleichsweise durchgeführte Beobachtung eines Dreheisen-Drehmomentantriebs in vergleichbaren Bereichen von Stromstärke und Druck eine charakteristisch;.· Hysterese, die beispielsweise Abweichungen bis zu 5,3 kp/cm² zwischen dem beobachteten Drick für ein Eingangssignal von beispielsweise 0.3 A verursacht, je nach dem. ob diese Signalgröße bei einem Zustand zunehmender oder abnehmender Stromstärkewerte auftrat.

Die Bezeichnung 11 für die Spuleneinrichtung soll auch den Fall decken, daß unter den gleichen grundlegenden Erfordernissen, wie für die Spule 11 beschrieben, mehr als nur eine Spule gewickelt ist, wobei beide Spulen von gleicher Form und wirkungsmäßig nebeneinanderl-egond ausgerichtet sind. Eine solche Spule i«, kann als rückführungslose Steuerspule verwendet werden, d. h. für die beschriebene Tätigkeit in Abhängigkeit von dem eingehenden Steuersignal, während die andere gleichartige Spule in einen Regelkreis geschaltet ist, so daß sie ein gewünschtes MaB an Bewegungsdämpiung des elastisch aufgehängten Trägers entwickelt; bei Schaltung »n dieser Weise wird zur Bewegungsdämpfung eine solche Kraftreaktion auf einen induzierten Strom genutzt, wie sie durch das rasche Schneiden der magnetischen Kraftlinien erzeugt wird. Werden anstatt 2ί dessen beide Spulen in rückführungsfreier Schaltung geschaltet, ist von Natur aus dafür gesorgt, daß jede Spule ein anderes Signal verarbeiten kann, so daß die Netto-Ausgangskraft (F>) die augenblickliche algebraische Auflösung der beiden Eingangssignal angibt, während die zur unabhängigen Zulieferung dieser Eingangssignal verwendeten Schaltungen von Natur aus voneinander elektrisch isoliert sind.

Des weiteren steht die schematisch dargestellte alleinige elastische Blattfeder, mittels welcher der Träger aufgehängt ist, natürlich für eine einfache Ausbildung (mit einer einzigen Feder) oder eine zusammengesetzte

rcre zusätzliche Federelemente in mit der einzigen Achse, um die der Träger wirksam schwenkbar montiert ist, vereinbarer Weise nachgiebig elastisch sind. Ein solches Zusammenwirken elastischer Elemente ermöglicht, wie der Fachmann erkennt, eine Nulleinstellung der Trägerstellung, beispielsweise für einen gegebenen Einzelzustand der Eingangsstromstärke und der Ausgangskraft (oder des Hydrauiikdruckes, wie in F i g. 2): eine solche Verbundanordnung ermöglicht auch in wirksamer Weise die Auswahl der physikalischen Größe der Federung, so daß für die Lagerung eine bestimmte Schwingungsfrequenz des Trägers charakteristisch ist, die die Erfor- dernisse eines bestimmten Anwendungsfalles am besten erfüllt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 55

60

Claims (1)

27 Ol Patentansprüche:

1. Elektromechanisch betätigbares Ventil, das ein Ventilgehäuse mit einem Durchflußkanal für das zu steuernde Druckmittel, ein hubbe*egliches, kugelförmiges Verschlußstück und eine Betätigungseinrichtung mit einem Magnetkernaggregat aufweist, in dessen Luftspalt eine elektrisch leitfähige Spule angeordnet ist, die durch eine elastische Aufhängevorrichtung im wesentlichen parallel zu den Magnetpolen des Magnetkernaggregats beweglich im Luftspalt geführt ist und die über einen Träger den Hub des Verschlußstückes und damit den Durchfluß in Abhängigkeit vom Spulenstrom steuert, g e k e η η zeichnet durch