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Beschreibunq
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Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Servoventil zur Erzeugung
eines einem elektrischen Eingangssignal proportionalen Volumenstroms mit einem in
einer Zylinderbohrung eines Gehäuses verschiebbar geführten, federbelasteten Steuerkolben,
der mit der Zylinderbohrung Steuerquerschnitte bildet, welche zwischen dem Zuluftanschluß,
mindestens einem Verbraucheranschluß sowie einem Abluftanschluß liegen, und mit
einer elektromagnetisch bestätigten Vorstufe, die die axiale Druckbeaufschlagung
des Steuerkolbens über ein Düse-Prallplatte-System steuert.
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Es sind bereits pneumatisch-mechanische Servosysteme bekannt, die
als Eingangs- oder Steuergröße einen pneumatischen Druck benötigen und bei denen
die Position eines Stellkolbens mechanisch zurückgeführt wird.
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Bei derartigen Servosystemen ist es insbesondere nachteilig, daß elektrisch
vorgegebene Programme, wie Weg-, Geschwindigkeit-, Kraft-, Druck-Zeitfunktionen
oder -folgen nicht direkt verarbeitet und in entsprechende Zustände umgesetzt werden
können. Auch können aus der Regelstrecke erfaßte Zustandsgrößen, wie Druck, Kraft,
Weg, Geschwindigkeit u.s.w., nicht für flexible elektrische Antriebsregelungen direkt
mit berücksichtigt und verarbeitet werden. Das dynamische Verhalten dieser Systeme
ist nicht sehr gut.
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Es sind ferner elektro-hydraulische Servoventile bekannt, die aber
zu ihrem Einsatz in der Pneumatik einen zusätzlichen Aufwand erfordern. Für die
elektro-hydraulischen Vorstufen dieser Systeme muß eigens eine Hydraulikversorgung
bereitgestellt werden. Die Energieflüsse von Öl in der Vorstufe und Luft in der
Hauptstufe müssen aufwendig getrennt werden.
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Es sind darüberhinaus auch elektropneumatische Servosysteme bekannt,
bei denen elektrisch vorgegebene Programme, wie Weg-, Druck-, Kraft-, Geschwindigkeits-Zeitfunktionen
oder -folgen direkt umgesetzt werden.
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Dabei wird aber aus der Regelstrecke die Position des nachgeschalteten
Stellsystems mechanisch erfaßt und durch mechanisch-pneumatischen Soll-Ist-Wert-Vergleich
rückgekoppelt. Bei einem solchen System ist die zur Ist-Wert-Positionserfassung
sowie zum Soll-Ist-Wert-Vergleich erfoderliche Mechanik sehr aufwendig und träge.
Es können daher nur sehr langsame Vorgänge umgesetzt werden. Ein universeller Einsatz
an beliebigen Zylindern ist ohne einen erheblichen mechanisch-gerätetechnischen
Aufwand nicht möglich. Darüberhinaus ist ein solches System nur für relativ kurzhubige
Stellzylinder zu verwenden.
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Schließlich ist ein elektropneumatisches Servoventil in Verbindung
mit einer Membran-Blutpumpe bekannt (DAS 27 30 933), bei dem in eine Gehäusebohrung
eine Steuerbuchse eingesetzt ist, die zwischen einer Trennwand und einem Verschlußstück
liegt. In der Steuerbuchse wiederum befindet sich hin- und herbewegbar ein Steuerkolben.
Ein Zuluftanschluß kommuniziert über eine Ringnut der Steuerbuchse mit der Düse
eines Düse-Prallplatte-Systems auf der einen Stirnseite des Steuerkolbens, welches
den auf diese Stirnseite des Steuerkolbens einwirkenden Luftdruck steuert.
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Auf die andere Stirnseite des Steuerkolbens wirkt der Luftdruck des
Verbraucheranschlusses sowie eine einstellbare Feder. Bei Auslenkung des Steuerkolbens
in der einen Richtung kommt der Zuluftanschluß in Verbindung mit der Verbraucherleitung,
während bei Auslenkung des Steuerkolbens in der anderen Richtung eine Verbindung
zwischen dem Verbraucheranschluß und einer Abluftleitung hergestellt wird.
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Das Düse-Prallplatte-System wird von einem elektromagnetischen Umformer
gesteuert, so daß ein auf diesen Umformer gegebenes elektrisches Signal zunächst
den Druck auf der der Feder gegenüberliegenden Stirnseite des Steuerkolbens und
damit die Position des Steuerkolbens steuert und durch eine ventilinterne Rückführung
des Verbraucherdruckes schließlich
proportional zu dem elektrischen
Signal insbesondere den Druck des Verbrauchers regelt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein elektropneumatisches
Servoventil der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß es insbesondere für die
Zylinder-, Pumpen- und/oder Motorensteuerung geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Servoventil der eingangs
erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Steuerkolben beiderseits federbelastet ist,
daß der Zuluftanschluß mit den beiden auf den Stirnseiten des Steuerkolbens angeordneten
Räumen kommuniziert, die ihrerseits jeweils mit einer mit einer Prallplatte zusammenarbeitenden
Düse in Verbindung stehen, wobei jede Prallplatte mit einem elektromagnetischen
Umformer verbunden ist und beide Umformer entgegengesetzt gepolt an die Eingangssignalleitung
angeschlossen sind.
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Dieses elektropneumatische Servoventil ist universell zur Erzeugung
steuerstromporportionaler Volumenströme, insbesondere für die Zylinderansteuerung,
geeignet. Es ermöglicht selbst bei relativ hohen Volumenströmen eine äußerst kompakte
Bauweise.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung können der Steuerkolben
und die Zylinderbohrung mit ihren beiderseitigen Verschlüssen symmetrisch in Bezug
auf eine normal zur Steuerkolbenachse verlaufende, in der Längsmitte des Steuerkolbens
bzw. der Zylinderbohrung liegende Ebene ausgebildet sein. Diese Ausbildung vereinfacht
die Herstellung und ergibt im übrigen eine gute Zugänglichkeit zu den wesentlichen
Teilen des Ventils.
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Zur Kompensation irgendwelcher konstanter Störgrößen kann aber eine
unsymmetrische Ausbildung von Steuerkolben und Zylinderbohrung gewählt werden.
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Erfindungsgemäß kann das Servoventil so ausgebildet sein, daß der
Zuluftanschluß mit den beiden auf den Stirnseiten des Steuerkolbens angeordneten
Räumen jeweils über eine Düse kommuniziert. Diese beiden Düsen bewirken eine Reduzierung
des im Zuluftanschluß herrschenden Druckes, zweckmäßigerweise auf die Hälfte dieses
Druckes. Dadurch wird es möglich, daß der auf der einen Stirnseite herrschende Druck
im gleichen Maße erhöht wird, wie der auf der gegenüberliegenden Stirnseite herrschende
Druck reduziert wird.
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Es entspricht einem weiteren Vorschlag der Erfindung, daß beiderseits
des Steuerkolbens Federn angeordnet sein können, die sich an einem Zylinderdeckel
abstützen.
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Das erfindungsgemäße Servoventil kann ferner so ausgebildet sein,
daß sich die Federn jeweils an einer in Bezug auf den zugehörigen Zylinderdeckel
einstellbaren Verstellschraube abstützen. Dies macht in einfacher Weise eine Justierung
der auf den Steuerkolben einwirkenden Federkräfte möglich.
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Das erfindungsgemäße Servoventil kann ferner so ausgebildet sein,
daß die Zylinderbohrung an ihren beiden Enden je einen erweiterten Abschnitt aufweist,
daß der Abstand zwischen diesen erweiterten Abschnitten gleich ist der Länge des
Steuerkolbens und daß in den erweiterten Abschnitten Zentrierkolben geführt sind,
deren maximale Auslenkung in Richtung auf den Steuerkolben jeweils durch die Schulter
zwischen Zylinderbohrung und dem betreffenden erweiterten Abschnitt und in Richtung
auf den Zylinderdeckel von diesem begrenzt ist, wobei die Zentrierkolben jeweils
durch eine Feder beaufschlagt sind. Es ergibt sich somit eine genau definierbare
driftfreie, krafteingespannte Null-Lage des Steuerkolbens, so daß ein so ausgebildetes
Servoventil insbesondere für den Einsatz in Steuerketten geeignet ist. Wenn das
Servoventil eine solche formschlüssige Nullpunktzentrierung
des
Steuerkolbens nicht aufweist, dann ist es insbesondere für den Einsatz in einem
Lageregelkreis geeignet, wobei der Regelkreis die Zentrierung des Steuerkolbens
in seiner Null-Lage elektrisch mit übernimmt.
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Das erfindungsgemäße Servoventil kann ferner so ausgebildet sein,
daß in dem Steuerkolben Innenringnuten und in dem Gehäuse Außenringnuten vorgesehen
sind, wobei der Abstand zwischen zwei Innenringnuten jeweils im wesentlichen gleich
ist der Breite einer Außenringnut.
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Weiter entspricht es einem Vorschlag der Erfindung, daß jeder Innenringnut
des Steuerkolbens eine Erweiterungsnut im Gehäuse und jeder Außenringnut des Gehäuses
eine Erweiterungsnut im Steuer kolben gegenüberliegen kann. Somit werden größere
Volumenströme bei gleichem Bauvolumen des Ventils möglich, woraus sich dann ein
erhöhter Verstärkungseffekt des Eingangssignals ergibt.
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Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß alle zwischen den Außenring
nuten und den Erweiterungsnuten der Zylinderbohrung sowie zwischen den Innenringnuten
und den Erweiterungsnuten des Steuerkolbens liegenden Stege in Achsrichtung der
Zylinderbohrung gemessen im wesentlichen die gleiche Breite haben, wobei diese Breite
größer ist als der halbe Maximalhub des Steuerkolbens.
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Im folgenden Teil der Beschreibung werden zwei Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Servoventils anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt: Fig.
1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Servoventils,
Fig. 2 eine mäanderförmig ausgebildete Membranfeder und Fig. 3 einen der Fig. 1
ähnlichen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen
Servoventils, bei dem nur ein elektromagnetischer Umformer (Tauchspulsystem) im
Schnitt dargestellt ist.
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Das Servoventil gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 hat ein Ventilgehäuse
1, in dem sich eine Zylinderbohrung 2 befindet, die an ihren beiden Enden erweiterte
Abschnitte 3 hat. Zwischen der Zylinderbohrung 2 und den erweiterten Abschnitten
3 ergeben sich Schultern 4. In der Zylinderbohrung 2 ist ein Steuerkolben 5 gleitend
geführt. Der Steuerkolben 5 sowie die Zylinderbohrung 2 sind symmetrisch in Bezug
auf eine normal zur Steuerkolbenachse verlaufende, in der Längsmitte des Steuerkolbens
5 bzw. der Zylinderbohrung 2 liegende Ebene ausgebildet.
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Der Steuerkolben 5 hat drei Innenringnuten 6,7,8. Er weist zudem einen
in axialer Richtung von dem einen Ende bis zum anderen Ende des Steuerkolbens 5
durchgehenden Kanal 9 auf, welcher mit der mittleren Innenringnut 7 in Verbindung
steht. In dem Steuerkolben 5 sind im Bereich seiner beiden Enden gleich ausgebildete
Düsen 10,11 vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen dem Kanal 9 einerseits und
der zugehörigen Stirnseite 12,13 des Steuerkolbens 5 herstellen. Die Länge des Steuerkolbens
5 entspricht der Länge der Zylinderbohrung 2.
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In den erweiterten Abschnitten 3 sind jeweils gleich ausgebildete
Zentrierkolben 14,15 gleitend geführt. In der in Fig. 1 dargestellten Null-Lage
liegen die beiden Zentrierkolben 14,15 jeweils an einer Schulter 4 des Ventilgehäuses
1 sowie an den Stirnseiten 12,13 des Steuerkolbens 5 an.
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Die Zentrierkolben 14,15 haben eine Öffnung 16. An jedem Zentrierkolben
14,15 greift auf der von dem Steuerkolben 5 abgewandten Seite eine Schraubenfeder
17 an, deren anderes Ende sich an einer Verstellschraube 18 abstützt. Jede Verstellschraube
18 ist in einen Zylinderdeckel 19 eingeschraubt, welcher den jeweiligen erweiterten
Abschnitt 3 dichtend abschließt. Die Verstellschraube 18 ist in Bezug auf den Zylinderdeckel
19
verstellbar, um damit die Spannung der Feder 17 einstellen zu
können.
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Zwischen jedem Zylinderdeckel 19 und dem zugehörigen Zentrierkolben
14,15 ergibt sich ein Raum 20,21, der über einen Kanal 22 bzw. 23 des Ventilgehäuses
1 mit einer Düse 24,25 verbunden ist. Diese Düsen 24,25 bilden mit einer zugeordneten
Prallplatte 26 ein an sich bekanntes Düse-Prallplatte-System. Beide Düse-Prallplatte-Systeme
sind gleich ausgebildet und in gleicher Weise mit einem elektromagnetischen Umformer
27 versehen, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Tauchspulsystem dargestellt
ist und ein über Eingangssignalleitungen 28,29 eingegebenes Signal in einen dem
Signal proportionalen Hub und damit in eine proportionale Auslenkung der Prallplatte
26 umformt. Die beiden Umformer 27 sind über die Eingangsleitungen 28,29 entgegengesetzt
gepolt, so daß im dargestellten Ausführungsbeispiel bei jedem Signal die eine Prallplatte
um den gleichen Weg nach unten ausgelenkt wird, wie die andere Prallplatte nach
oben eine Auslenkung erfährt.
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Die hier verwendeten Prallplatten 26 sitzen im mittleren Bereich von
Memoranfedern 26a, welche, wie Fig. 2 zeigt, mäanderförmige Einschnitte 30 aufweisen
und bei Einspannung an ihrem äußeren Umfang eine federnde Verlagerung der Prallplatte
normal zur Plattenebene relativ zu der zugeordneten Düse 24,25 zulassen.
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Das Gehäuse 1 hat einen Zuluftanschluß 35, welcher in die Innenringnut
7 des Steuerkolbens 5 mündet. Weiter sind im Gehäuse 1 zwei Außenringnuten 36,37
vorgesehen, mit denen jeweils ein Verbraucheranschluß 38,39 verbunden ist. Mit der
Innenringnut 6 kommuniziert ein Kanal 40, während mit der Innenringnut 8 ein Kanal
41 verbunden ist. Die beiden Kanäle 41 sind zu einem Abluftanschluß 42 zusammengefaßt.
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Wenn zum Beispiel das Servoventil gemäß Fig. 1 zur Ansteuerung eines
Zylinders eingesetzt werden soll, so wird dieser nicht dargestellte Zylinder mit
seinen beiden Verdrängerräumen an die Verbraucheranschlüsse 38,39 des Gehäuses 1
angeschlossen.
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Analog einem elektrisch vorgegebenen Steuersignal, das, wie bereits
erwähnt wurde, entgegengesetzt gepolt auf die beiden Umformer 27 gegeben wird, steuert
das Servoventil die Volumenströme in und aus den Verdrängerräumen des Zylinders
derart, daß sich der Kolben des Zylinders entsprechend dem elektrischen Steuersignal
bewegt. Wenn das über die Eingangssignalleitung 28,29 gegebene Signal zu einer Auslenkung
der in Fig. 1 links liegenden Prallplatte 26 nach oben hin führt, so wird der durch
die Düse 24 hindurchströmende Volumenstrom anwachsen, so daß sich eine Druckreduzierung
in dem Raum 20 ergibt. Gleichzeitig wird aufgrund der entgegengesetzt gleichen Polung
der beiden Umformer 27 die in Fig.
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1 rechts dargestellte Prallplatte 26 nach unten ausgelenkt. Der durch
die Düse 25 hindurchtretende Volumenstrom wird reduziert und der Druck in dem Raum
21 steigt an. Dies führt zu einer Verschiebung des Steuerkolbens 5 entgegen der
Feder 17 sowie entgegen dem im Raum 20 herrschenden Druck.
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Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Null-Lage stellt sich demnach
eine Verbindung zwischen der Innenringnut 7 des Steuerkolbens 5 und der Außenringnut
36 und damit eine Verbindung zum Verbraucheranschluß 38 her.
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Änderungen der über die Leitungen 28,29 eingegebenen Signale führen
zu entsprechenden Verschiebungen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Abstand zwischen je zwei
Innenringnuten 6,7,8 im wesentlichen gleich der Breite einer Außenringnut 36, 37
des Gehäuses 1.
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Anhand von Fig. 3 soll nun eine weitere Ausführungsform beschrieben
werden, welche in wesentlichen Teilen der Ausführungsform nach Fig. 1 gleich ist.
Es sollen hier nur die Abweichungen dieser Ausführungsform gegenüber derjenigen
nach Fig. 1 detailiert beschrieben werden.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 hat einen Steuerkolben 50, der in
einer
Zylinderbohrung 51 eines Gehäuses 52 geführt ist. Der Steuerkolben
50 weist, wie das in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde, drei Innenringnuten
56,57,58 auf. Entsprechend ist auch das Gehäuse 52 mit zwei Außenringnuten 59,60
versehen. Bei dieser Ausführungsform liegt nun aber jeder Innenringnut 56,57,5a
des Steuerkolbens 50 im Gehäuse 52 eine Erweiterungsnut 62,63,64 gegenüber. In entsprechender
Weise liegt jeder Außenringnut 59,60 des Gehäuses 52 im Steuerkolben 50 jeweils
eine Erweiterungsnut 65,66 gegenüber. Diese Anordnung der Erweiterungsnuten 62,63,64
sowie 65,66 führt zu vergrößerten Durchtrittsquerschnitten und ermöglicht bei gleichem
Bauvolumen erhöhte Volumenströme. Somit ergibt sich letztlich eine erhöhte Verstärkung
des elektrischen Eingangssignals des Servoventils.
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Die Breite aller zwischen den Außenringnuten 59,60 und den Erweiterungsnuten
62,63,64 der Zylinderbohrung 51 sowie der zwischen den Innenringnuten 56,57,58 und
den Erweiterungsnuten 65,66 des Steuerkolbens 50 liegenden Stege ist - in Achsrichtung
der Zylinderbohrung 51 gemessen -im wesentlichen gleich. Diese Breite wiederum ist
größer als der halbe Maximalhub des Steuerkolbens 50.
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Eine weitere Abweichung der Ausführungsform gemäß Fig. 3 gegenüber
derjenigen nach Fig. 1 besteht darin, daß die Zylinderbohrung 51 an ihren beiden
Enden keine erweiterten Abschnitte und demzufolgen auch keine Zentrierkolben aufweist.
An den beiden Stirnseiten 67,68 des Steuerkolbens 50 greifen die Schraubenfedern
17 unmittelbar an.
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