DE3006298A1 - Elektrisch angesteuertes ventil, insbesondere vorsteuerventil fuer logistoren - Google Patents

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 779/4

Stuttgart

"Elektrisch angesteuertes Ventil, insbesondere Vorsteuerventil für Logistoren"

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angesteuertes Ventil, insbesondere ein Vorsteuerventil für Logistoren, mit einem zwischen zwei gehäuseseitigen Ventilsitzen beweglichen Ventilkörper, der gegen einen Ventilsitz über ein elektrisch erregtes Stellglied verschiebbar und dichtend anpreßbar ist.

Mit Logistoren sind hydraulische Schaltglieder bekannt, Sehaltzeiten bis in Bereiche von 100 Microsekunden ermöglichen. Die Ausnutzung dieser kurzen Schaltzeiten der Logistoren bei deren Verwendung in elektrohydraulischen Schaltgliedern ist aber bislang nicht möglich, da die Umformung des elektrischen Eingangssignales in ein entsprechendes hydraulisches Signal für den Logistor ein Vorsteuerventil erforderlich macht, dessen Ansprechzeiten bedingt durch die Trägheit der verwendeten Stellglieder auf elektromagnetischer Basis zti langsam sind. Selbst mit höchstentwickelten Elektromagneten, die praktisch aber kaum noch einsetzbar sind, lassen sich Schaltzeiten unter 200 Microsekunden nämlich nicht mehr erreichen.

In der Praxis suchte man die genannten Nachteile dadurch zu mindern, daß die Vorsteuerventile in ihren Massen möglichst klein gehalten wurden und es wurde diesbezüglich beispielsweise vorgeschlagen (DE-OS 29 38 100.8), den Ventilsitz, von dem die als Ventilkörper des Vorsteuerventils verwendete Ventilkugel über das Stellglied abzuheben ist, mit einem Doppelsitz für die Ventilkugel auszurüsten, um den Betätigungsstößel des elektromagnetischen Stellgliedes im Hinblick auf einen möglichst kleinen Durchmesser der Ventilkugel extrem schlank ausführen zu können. Hierdurch ließen sich

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die mit dem Vorsteuerventil erreichbaren Schaltzeiten zwar wesentlich verkürzen, die mit einem Logistor möglichen Schaltzeiten aber immer noch nicht verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorsteuerventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das Ansprechzeiten aufweist, die eine Ausnutzung der angegebenen, im Bereich von 100 Microsekunden liegenden Schaltzeiten des Logistors ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß als Stellglied ein piezoelektrischer Wandler und daß als Ventilkörper eine Ventilplatte vorgesehen ist.

Stellglieder in Form piezoelektrischer Wandler sind an sich bekannt und es ist bezüglich derselben auch bekannt, daß sie Schaltzeiten ermöglichen, die den Bereich der bei Logistoren möglichen Schaltzeiten abdecken. Solche piezoelektrischen Wandler, die als Stapel von Piezooxyd-Scheiben ausgeführt sind, ermöglichen aber bei vertretbaren Stapelgrößen keine Stellwege, die dem entsprechen, was für in Verbindung mit Logistoren eingesetzte Vorsteuerventile bislang für erforderlich gehalten wurde. Diese Stellwege liegen nämlich in der Größenordnung von 0,2 mm, während über piezoelektrische Wandler der hier angesprochenen Art lediglich Stellwege zwischen 0, 02 und 0,04 mm erreichbar sind.

Ebenso wie piezoelektrische Wandler sind an sich auch Plattenventile in der Hydraulik bekannt, wenn sie auch in Verbindung mit Logistoren als Vorsteuerventile bislang nicht eingesetzt wurden. Bedingt war dies nicht nur durch die größeren herstellungstechnischen Schwierigkeiten, die in Verbindung mit Ventilplatten anstelle von Ventilkuge3nals Ventilkörper verbunden sind, sondern insbesondere auch dadurch, daß auch bezüglich Plattenventilen größere Stellwege in Theorie und Praxis als notwendig angesehen wurden, um eine gezielte Durchströmung zu ermöglichen.

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Entgegen allen Erwartungen hat sich aber gezeigt, daß die erfindungsgemäße Kombination zwischen piezoelektrischem Wandlerstellglied und Ventilplatte als Ventilkörper trotz der nur minimalen Stellwege zwischen 0,02 und 0,04 mm die Steuerung der zur Schaltung des Logistors erforderlichen Volumenströme in Sehaltζexten ermöglicht, die im Bereich von 100 Microsekunden liegen und damit den Schaltzeiten des Logistors entsprechen. Über das erfindungsgemäße Vorsteuerventil ist es somit möglich geworden, die Schaltzeiten des Kugellogistors auch im Rahmen elektrohydraulischer Schaltglieder voll zu nutzen.

In Ausgestaltung der Erfindung erweist es sich als zweckmäßig, wenn ein Ventilsitz jeweils durch zwei einen Ringkanal begrenzende Ringstege gebildet ist und wenn auf den Ringkanal zwischen den Ringstegen die jeweilige Verbindung ausmündet. Eine solche Ausgestaltung macht es möglich, gegenüber Ventilsitzen mit nur einem ringförmigen Dichtsteg die Spaltlänge praktisch zu verdoppeln und damit die Durchströmungswiderstände entsprechend klein zu halten, was im Hinblick auf die hier angesprochenen, sehr kurzen Schaltzeiten von Vorteil ist.

Die insbesondere konzentrisch zueinander liegenden und gemeinsam eine Dichtgrenze bildenden Ringstege haben zwei voneinander getrennte Räume zwischen Gehäuse und Ventilplatte zur Folge, die in Ausgestaltung der Erfindung über die Ventilplatte durchsetzenden Kanäle untereinander verbunden sind, so daß auch insoweit günstige Strömungsverhältnisse geschaffen sind, wobei gleichzeitig der Aufbau von Druckpolstern in den entsprechenden Räumen bei den Schaltbewegungen vermieden wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in schematischer Darstellung ein elektrohydraulisches, aus einem Vorsteuerventil und einem Logistor bestehendes Schaltglied im Schnitt zeigt.

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Die Figur zeigt ein elektrohydraulisclies Schaltglied 1, das aus einem elektrisch angesteuerten Vorsteuerventil 2 sowie einem hydraulischen Schaltglied in Form eines Logistors 3 besteht, der in seiner Konstruktion im prinzipiellen dem aus der DE-PS 20 Ok 567 Bekannten entspricht.

Logistor 3 und Vorsteuerventil 2 sitzen in einem hier nur schematisch angedeuteten Gehäuse 4, durch das die Versorgungsleitungen abgeführt sind, wobei der Anschluß an die Druckquelle mit 5 und der zum Verbraucher führende Anschluß mit 6 bezeichnet sind.

Der Logistor 3 weist als Schaltkörper eine Kugel 7 auf, die über hydraulische Kräfte in zwei Schaltstellungen umsteuerbar ist, wobei die Kugel 7 in der dargestellten Schaltstellung an dem als Kugelsitz 8 bezeichneten Ventilsitz anliegt und die Verbindung zwischen dem Anschluß 5 as. die Druckquelle und dem zum Verbraucher führenden Anschluß 6 unterbricht. Die Kugel 7 des Logistors ist dabei in Richtung auf den Kugelsitz 8 mit Druckmedium beaufschlagt, das vom Druckraum des Logistors über Leitungen 10 abgezweigt ist, deren Verbindung zur Steuerleitung 11 über den Ventilkörper des Vorsteuerventiles 2 steuerbar ist, der hier durch eine Ventilplatte 12 gebildet ist, welche in der gezeigten Stellung die Verbindung zwischen den Leitungen 10 und der Steuerleitung 11 freigibt.

Wird durch Umsteuerung des VorSteuerventils die Verbindung zwischen den vom Druckraum 9 ausgehenden Leitungen 10 und der Steuerleitung 11 unterbrochen, so wird die Kugel 7 gegen den dem Kugelsitz 8 gegenüberliegenden Ventilsitz, den Kugelsitz 13 abgedrängt und liegt an diesem aufgrund des im Druckraum 9 herrschenden Druckes an. In dieser Stellung der Kugel 7 ist die Verbindung zum Verbraucher freigegeben.

Ist, wie angesprochen, die Verbindung zwischen den Leitungen 10 und der Steuerleitung 11 über die Ventilplatte 12 unter-

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brochen, so ist die Steuerleitung 11 mit einer beispielsweise zu einem Tank führenden Rücklaufleitung l4 verbunden.

Die Umsteuerung des Vorsteuerventiles erfolgt über ein Stellglied in Form eines piezoelektrischen Wandlers, der im wesentlichen durch einen Stapel von Piezooxydscheiben l6 gebildet ist, welche zwischen einer nicht gezeigten gehäusefesten Abstützung und dem Bund l8 einer Führungsstange 19 angeordnet sind, die axial verschiebbar geführt ist und über ihren Stempel 20 die Ventilplatte 12 zentral beaufschlagt.

Die Ventilplatte 12 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Scheibe, welche axial verschiebbar geführt innerhalb des Gehäuseraumes 21 angeordnet ist, an den die Leitungen 10, die Steuerleitung 11 und die Rücklaufleitung l4 angeschlossen sind. Die axiale Führung der Ventilplatte erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine in die Steuerleitung 11 eingesetzte Führungshülse 22, welche in eine entsprechende Aufnahmebohrung der Ventilplatte 12 mit Gleitsitz eingreift, wobei die Ventilplatte im Bereich dieser Aufnahmebohrung über einen Führungskragen 23 axial verdickt ist, so daß die notwendige, verkantungsfreie Führung gewährleistet ist.

Der Gehäuseraum 21 ist an seiner in der Zeichnung unteren, . dem Logistor 3 zugewandten Seite 24 mit zwei zur Führungshülse 22 konzentrischen Ringstegen 25 versehen, denen an der benachbarten Seite 27 der Ventilplatte 12 vorgesehene Ringstege 26 entsprechen. Die Ringstege 25 und 26 bilden einzeln, wenn sie aneinander aufsitzen, jeweils eine Dichtzone und die DichtZonen begrenzen gemeinsam einen Ringkanal 28, auf den die mit dem Druckraum 9 des Logistors verbundenen Leitungen 10 ausmünden. In einer vereinfachten Ausführungsform kann eine Dichtzone auch lediglich durch einen Ringsteg gebildet sein, der gegen Seiten 24 oder 27 zur Anlage kommt.

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In der hier dargestellten Lage der Ventilplatte 12 befindet sich diese in ihrer oberen Anschlagstellung, in der die Ringstege 25 und 26 in geringem axialem Abstand zueinander liegen und in der der von den Ringstegen 25 und 26 eingegrenzte Ringkanal 28 über die zwischen den Ringstegen gegebenen Spalte gegen den Gehäuseraum 21 offen ist. Druckflüssigkeit kann über die Spalte 29 zwischen den Ringstegen 25 und 26, also radial austreten und gelangt über entsprechende Verbindungkanäle oder -bohrungen in der Ventilplatte 12 in die Steuerleitung 11. Die Verbindungsbohrungen in der Ventilplatte sind so gelegt, daß eine möglichst freie Abströmung sowohl von dem radial innerhalb der radialen inneren Ringstege gegebenen Ringraum 30 wie auch von dem radial außerhalb der äußeren Ringstege liegenden Bereich möglich ist, und es ist hierzu die Ventilplatte von wenigstens einer Diametralbohrung 31 durchsetzt, auf die von radial außen wie auch über Axialbohrungen 32, die von dem Ringraum 30 ausgehen, die Druckflüssigkeit einströmen kann. Radial von außen ist eine möglichst ungehinderte Einströmung dadurch erreicht, daß die Ventilplatte mit radialem Spiel innerhalb des Gehäuseraumes 21 angeordnet ist. In der hier dargestellten Lage, in der die durch die Ringstege 25 und 26 gebildete Dichtgrenze geöffnet ist, ist die Ventilplatte im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Feder 33» die als Tellerfeder ausgebildet ist, axial in Richtung auf das Vorsteuerventil belastet. Die Feder 33 stützt sich einerseits innerhalb des Ringraumes 30 an der Seite 2k des Gehäuses und andererseits am Führungskragen 23 der Ventilplatte ab»

Wird das Vorsteuerventil 2 umgesteuert_s so wird die Ventilplatte entgegen der Kraft der Feder 33 über den piezoelektrischen Wandler 15 verschoben, wobei der Verschiebeweg zwischen 0,02 und 0,04 mm beträgt. Die Verschiebung hat ein Schließen der durch die Ringstege 25 und 26 gebildeten Dichtgrenze sowie ein Öffnen der Verbindung zwischen Steuerleitung 11 und Rücklauf leitung lk zur Folge. Hierbei ist die in der

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Verbindung zur Rücklaufleitung gegebene Dichtgrenze offen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei der Ventilplattenseite 3^ zugeordnete Ringstege 35 sowie entsprechende gehäuseseitige Anlagen gebildet ist, wobei auch hier die Ringstege 35 einzeln in Abdichtlage Dichtzonen bilden, die gemeinsam als Dichtgrenze wirken und einen Ringkanal 36 eingrenzen, auf den die Rücklaufleitung ΐΛ ausmündet. Der Ringkanal 36 korrespondiert dabei mit einem gehäuseseitigen Ringkanal 37, so daß auch bei geringer Höhe der Ringstege 35 eine über den ganzen Ringumfang gleichmäßige Abströmung gewährleistet ist. Sowohl von radial innen wie auch von radial außen ist dabei eine gute Zuströmung gewährleistet, da auch hier über Axialbohrungen 38 eine Verbindung zwischen der Diametralbohrung 31 und dem innerhalb der inneren Ringstege 35 liegenden Ringraum 39 gegeben ist.

Die Ringstege sind bevorzugt nahezu schneidenartig ausgestaltet, so daß sich bei geöffneter Dichtgrenze jeweils nur eine verhältnismäßig geringe Spaltbreite ergibt, welche sich als vorteilhaft im Hinblick auf eine ausreichende Durchströmung bei der aufgrund der kleinen Stellwege nur sehr kleinen Spalthöhe erweist.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Vorsteuerventil nicht nur Schaltzeiten in der Größenordnung von 100 Microsekunden ermöglicht, sondern zugleich bei Verschiebewegen für die Ventilplatte in der Größenordnung von 0,02 bis 0,04 mm eine ausreichende Durchströmung ermöglicht, so daß in Verbindung mit dem hier vorgesehenen Logistor als hydraulischem Ventil erstmals ein elektrohydraulisches Schaltglied geschaffen ist, das Schaltzeiten bis in Bereiche von 100 Microsekunden ermöglicht.

Da die Funktion des Vorsteuerventiles von der des Logistors an sich unabhängig ist, kann ein derartiges Vorsteuerventil selbstverständlich auch unabhängig von Logistoren für andere Verwendungszwecke eingesetzt werden. Darüber hinaus

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sind gerade bezüglich der Gestaltung der Ventilplatte, insbesondere im Hinblick auf die in diese gelegten Strömungswege abweichende Ausgestaltungen möglich, so beispielsweise die Verwendung mehrerer Diametralbohrungen oder etwa eine geteilte Ausgestaltung derselben, bei der getrennte, aber fest miteinander verbundene und zwischen sich entsprechende Kanäle einschließende Ventilober- und -unterplatten Verwendung finden.

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Claims (5)

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 Stuttgart 13.2.198ο "Elektrisch angesteuertes Ventil, insbesondere Vorsteuerventil für Logistoren" Ansprüche

1. Elektrisch angesteuertes Ventil, insbesondere Vorsteuerventil für Logistoren, mit einem zwischen zwei gehäuseseitigen Ventilsitzen beweglichen Ventilkörper, der gegen einen der Ventilsitze über ein elektrisch erregtes Stellglied verschiebbar und dichtend anpreßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied ein piezoelektrischer Wandler (I5) und als Ventilkörper eine Ventilplatte (12) vorgesehen ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die Ventilplatte in ihrer Schließlage über eine Dichtgrenze die Verbindung zwischen Anschlüssen trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtgrenze (2) einen Ringkanal (28) begrenzende Dichtzonen(Ringstege 25, 26) aufweist und daß in der Öffnungslage der Ventilplatte die Verbindung zwischen den Ventilanschlüssen (Leitungen 10 und ll),von denen einer vom Ringkanal (28) ausgeht, über beide Dichtzonen gleichzeitig freigegeben ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal aus mehreren getrennten, in ümfangsrichtung aufeinander folgenden Abschnitten besteht, die mit dem gleichen Ventilanschluß verbunden sind.

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei geschlossener Dichtgrenze über diese getrennten Räume zwischen Gehäuse und Ventil-

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platte (12) untereinander über der Ventilplatte zugeordnete Kanäle (Bohrungen 3I₅32) verbunden sind.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtzonen durch an der Ventilplatte (12) und/oder am Gehäuse angeordnete Ringstege (25, 26) gebildet sind.

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