DE3113116A1

DE3113116A1 - "verfahren zum stroemungskraftausgleich bei einem flachschieberventil sowie nach diesem verfahren arbeitendes flachschieberventil"

Info

Publication number: DE3113116A1
Application number: DE19813113116
Authority: DE
Inventors: Dietmar 7533 Tiefenbronn Meier; Berthold 7145 Markgröningen Pfuhl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-10-21
Also published as: WO1982003436A1; FR2503314B1; JPS58500451A; FR2503314A1

Description

R. 6904

25.3.1981 My/Kn

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Verfahren zum Strömungskraftausgleich bei einem Flachschieberventil sowie nach diesem

Verfahren arbeitendes Flachschieberventil

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Strömungskraftausgleich bei einem Flachschieberventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solches Verfahren aus dem.Buch "Fluid Power Control", John F. Blackburn, Krausskopf-Verlag 1962, Seite 191, Bild 10.17 bekannt,· das in einem Steuerhülseh und zugeordnete, gleichgroße Bohrungen aufweisenden Flachschieberventil Umlenkflächen verwendet, mit denen der die Steuerkanten passierende Druckmittelstrom zum Erreichen eines Strömurigskraftausgleiches umgeleitet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß hierbei speziell geformte, fest im Gehäuse angeordnete und die Umlenkflächen tragende Leitprofile erforderlich sind, welche die Steuerbohrungen im Flachschieber durchdringen. Dieses Verfahren zum Strömungskraftausgleich erfordert daher einen relativ hohen baulichen Aufwand. Zudem kann es für das Verfahren zum Strömungskraftausgleich von Nachteil sein, daß der Flachschieber vom beiden Seiten her durchströmt wird. Zudem es ist von Nachteil, daß das Verfahren an einem

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Flachschieberventil mit längsbeweglichem Flachschieber durchgeführt wird.

Ferner ist aus der US-PS 2 875 782, insbesondere Fig. 15 ein Flachschieberventil bekannt, bei dem vom Druckmittel durchströmte Steuerhülsen im Flachschieber mit gleichgroßen Steuerbohrungen im Gehäuse zusammenwirken. Mit dieser Bauweise sollen Steuerkanten leicht und genau herstellbar sein. Dabei sind die Steuerbohrungen im Gehäuse auf einer den Verbraucheranschlüssen gegenüberliegenden Seite durch Stopfen nach außen verschlossen. Bei diesem Flachschieberventil dienen somit die Stopfen einzig und allein zum Verschließen von Bohrungen.; eine Lehre, mit diesen Stopfen ein Verfahren zum Strömungskraftausgleich bei einem Flachschieberventil durchzuführen, kann dieser Druckschrift nicht entnommen werden. Dies geht auch daraus hervor, daß der Abstand der Stopfen von den jeweils zugeordneten Steuerkanten zu groß ist. Zudem weisen die Steuerhülsen im Bereich der Steuerebene noch ihre volle Wandstärke auf, was ebenfalls für ein Verfahren zum Strömungskraftausgleich hinderlich ist. Vor allem ist von Nachteil, daß die ringförmigen Steuerkanten der Steuerhülsen in einer gekrümmten Fläche und nicht in einer Ebene liegen.

Ferner ist aus der DE-PS 2 16O 1+90 ein Flachschieberventil bekannt, das zweistufig aufgebaut ist. Obwohl dieses Ventil mit einem als Drehschieber ausgebildeten Flachschieber sehr hohen Anforderungen genügt, baut es für viele Einsatzfälle mit niedrigeren Anforderungen in der Praxis zu aufwendig, da es mit einem elektrohydraulischen Wandler und einem hydraulischen Stellmotor arbeitet.

Bekannt ist ferner ein Servoventil aus der DE-OS 27 06 572, das einstufig baut und einen Flachdrehschieber aufweist, der elektromagnetisch betätigt wird. Nachteilig ist jedoch, daß an seinem Schieber die Strömungskräfte nicht ausge-

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glichen sind, so daß bei gleichbleibender Ansteuerleistung der Flachdrehschieber infolge von Laständerungen auch seine jeweilige Lage ändert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei seiner Anwendung ein einstufiges Regelventil in Flachschieberbauweise relativ hohe-Volumenströme bei gleichzeitig hohem Druckabfall steuern kann und damit in Bereiche vorstößt, die von vergleichbaren, einstufigen Regelventilen nicht mehr beherrschbar sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich daher Flachschieberventile bauen, die verhältnismäßig kompakt und einfach bauen und zudem ein stabiles Arbeitsverhalten aufweisen.

Durch die in den Unteransprüchen 2 und 3 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Gemäß Anspruch U wird eine besonders vorteilhafte Verwendung der in den Steuerbohrungen sitzenden Stopfen zur Durchführung dieses Verfahrens bei einem Flachschieberventil vorgeschlagen. In besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Flachschieberventil gemäß Anspruch 5 durchgeführt werden, dessen kennzeichnende Merkmale eine besonders zweckmäßige Kombination ergeben.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Flachschieberventil mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen ausgelenkten Flachschieber nach Fig. 1 in vereinfachter

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Darstellung und Fig. 3 Kennlinien für das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Ventil nach Fig. 1 im Vergleich zu einem auf dem Markt befindlichen, einstufigen, vergleichbaren Regelventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein Regelventil 10, das im wesentlichen aus dem eigentlichen Flachschieberventil 11 und einem daran angeflanschten, elektromagnetischen Antrieb 12 besteht. Das Flachschieberventil 11 weist ein dreiteiliges Gehäuse 13 auf, das im wesentlichen aus einem Anschlußteil 1h, einer Zwischenplatte 15 und einem Deckelteil 16 besteht. Die Zwischenplatte 15 schließt mit den Stirnseiten von Anschlußteil 1h und Deckelteil 16 eine Schieberausnehmung 17 ein, die zum Tank 18 entlastet ist. In der Schieberausnehmung 17 ist ein als Drehschieber ausgebildeter Flachschieber 19 mit Hilfe einer Welle 21 schwenkbar im Gehäuse 13 geführt. Im Flachschieber 19 sind eine erste Steuerhülse 22 sowie eine zweite Steuerhülse 23 angeordnet. Die Steuerhülsen 22, 23 verlaufen parallel zur Längsachse der Welle 21 und somit senkrecht zu einer Steuerebene Zk, die sich zwischen dem Flachschieber 19 und dem Deckelteil 19 erstreckt. In dieser Steuerebene 2k liegen die ringförmigen Steuerkanten 25 der Steuerhülsen 22, 23 sowie die Steuerkanten 26 zweier Steuerbohrungen 27, 28, die jeweils den Steuerhülsen 22, 23 zugeordnet sind und in der gezeichneten Neutralstellung des Flachschiebers 19 koaxial zu diesen liegen. Der Durchmesser der Steuerbohrungen 27» 28 ist genauso groß wie der Außendurchmesser der Steuerhülsen, so daß deren Steuerkanten 25, 26 in der gezeichneten Neutralstellung eine Null-Überdeckung ergeben. Beide Steuerbohrungen "27, 28 liegen i'm Deckelteil 16 und nehmen jeweils einen Stopfen 29, 31 auf,

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die jeweils eine zu den Steuerkanten 25, 26 hin gelegene, ebene Umlenkfläche 32 bzw. 33 bilden. Die Steuerhülsen 22-, 23 weisen ferner an ihren Enden jeweils kegelförmige Eindrehungen 3k auf, so daß ihre Steuerkanten 25 von spitz zulaufenden Wänden gebildet werden. Im Anschlußteil 1h verläuft koaxial zu den Steuerhülsen 22, 23 ein Kanal 35 zu einem ersten Verbraucheranschluß 36 sowie ein Kanal 37 zu einem zweiten Verbraucheranschluß 38. Der Durchmesser» der Kanäle 3.5, 37 ist kleiner als der Außendurchmesser der zugehörigen Steuerhülsen 22, 23, so daß diese Kanäle auch bei ausgelenkten Stellungen des F^achschiebers 19 stets und ausschließlich mit dem Innenraum der Steuerhülsen 22, 23 verbunden sind..Wie Fig. 2 deutlicher zeigt, wird von den Steuerhülsen 22, 23 in der Schieberausnehmung 17 ein Zulaufraum 39 begrenzt, der mit dem Zulaufanschluß U1 verbunden ist, in die eine Pumpe k2 Druckmittel fördert. Ferner begrenzen die Steuerhülsen 22, 23 einen Rücklaufraum If-2, der zum Tank 18 entlastet ist.

Die Welle 21 ist sowohl mit dem Flachschieber 19 als auch mit einem Anker If-3 im. elektromagnetischen Antrieb 12 festverbunden, so daß die von einer Spule UU des Drehantriebs 12 ausgeübte Schwenkbewegung über den Anker U 3 auf den Flachschieber 19 übertragen wird.

Zur Erläuterung des Verfahrens zum Strömungskraftausgleich wird im folgenden näher auf Fig. 2 eingegangen, die den Flachschieber ^Q in vereinfachter Darstellung in einer nach rechts, bezogen auf die Figur, ausgelenkten Stellung zeigt. Dabei wird vom Drehantrieb 12 der Flachschieber 19 in Richtung des Pfeiles If-5 bewegt und in einer bestimmten Lage geregelt. In der gezeichneten Stellung des Flachschiebers 19 fließt der von der Pumpe U2 kommende Druckmittelstrom aus dem Zulaufraum 39 zwischen den beiden Steuerkanten 25, 26 hindurch in die erste Steuerbohrung 27, wo er von der

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Umlenkfläche 32 umgeleitet wird und über die erste Steuerhülse 22 zum ersten Verbraucheranschluß 36. Gleichzeitig fließt ein vom angeschlossenen Servomotor kommender Druckmittelstrom vom zweiten Verbraucheranschluß 38 durch die zweite Steuerhülse 23 hindurch, wird von der Umlenkfläche 33 des zweiten Stopfens 31 umgelenkt und fließt durch die Steuerkanten 25, 26 hindurch in den Rücklauf raum h2 und weiter zum Tank 18. Diese Druckmittelströme verursachen nun infolge von Impulsänderungen auch Impulskräfte, welche auch am Flachschieber 19 wirksam werden können. In Fig. ist in vereinfachter Weise dieser Impuls des auf der Zu— laufseite durch die Steuerkanten 25, 26 fließenden Druckmittelstroms als Kraft F1 dargestellt, während der-von der Umlenkfläche 32 in die erste Steuerhülse 22 geleitete Druckmittelstrom eine Kraft F2 verursacht. In entsprechender Weise sind auf der Abflußseite für den Druckmittelstrom durch die Steuerkanten 25, 26 hindurch eine Kraft F3 sowie für den Druckmittelstrom zur Umlenkfläche 33 hin eine Kraft Fh angegeben. In an sich bekannter Weise wirken Komponenten der Kräfte F1 und F3 der Bewegung des Flaehschiebers 19 gemäß Pfeilrichtung k5 entgegen, während Komponenten der Kräfte F2 und FU in Bewegungsrichtung wirken, also in Pfeilerichtung 1+5. Die Kraftkemponenten, die am Flachschieber 19 wirksam W werden als Betätigungskräfte, werden im wesentlichen von drei Faktoren beeinflußt. Ihre Größe hängt zum ersten ab von der Masse des Druckmittelstroms, die jedoch an allen Steuerkanten 25, 26 konstant ist. Zum zweiten hängt die Größe dieser Betätigungskräfte ab von der Strömungsgeschwindigkeit der Druckmittelströme, und somit von dem jeweils aufgesteuerten Querschnitt. Auch diese Querschnitte sind in jeder Stellung des Flaehschiebers 19 festgelegt. Zum dritten hängen diese Betätigungskräfte ab von dem Winkel, mit dem die Druckmittelströme auf den Flachschieber 19 wirken, also den Winkel k6, den die Kräfte F1 bis Fh mit dem Flachschieber 19 bilden. Diese Winkel h6 sind wesentlich

davon abhängig, wie groß der Abstand hf zwischen dfer Steuerebene 2k und den jeweiligen Umlenkflachen 32 bzw. 33 ist. Durch geeignete Wahl dieses Abstandes kj an jedem Stopfen 29 bzw. 31 lassen sich nun die Winkel U6 so einstellen, daß die auf der Zuflußseite wirksamen Kraf^komponenten der Kräfte F1 und F2 auf den Flachschieber 19 sich aufheben und in entsprechender Weise die auf den Schieber 19 wirkenden Kraftkomponenten der Kräfte F3 und Fh auf der Ablaufseite kompensiert werden. Eine derartige Kompensation der Impuls-Kräfte auf den Flachschieber 19 läßt sich beim Regelventil 10 mit einem Abstand hj erreichen, der etwa '1,U mm beträgt. Mit diesem Verfahren kann somit in einfacher Weise der Strömungskraftausgleich an "jeder Steuerkante für sich er-•reicht werden. Selbstverständlich kann dabei der Strömungskraftausgleich so eingestellt werden, daß noch eine kleine Strömungskraft schließend oder öffnend wirkt. Der Innendurchmesser der Steuerhülsen 23» 22 ist dabei so gewählt, daß er keine allzugroße Drosselung des durchfließenden Druckmittelstromes bewirkt, sondern daß der an den Steuerkanten 25, 26 aufgesteuerte Querschnitt hierfür maßgebend ist. Andererseits darf der Innendurchmesser auch nicht übermäßig groß sein, damit noch eine Kraft infolge von FU auf den Flachschieber 19 entsteht und die Kraft infolge von F3 kompensieren kann. Ferner muß der Abstand hf zum Innendurchmesser der Steuerhülse 22, 23 relativ klein sein; gute Ergebnisse ergaben sich bei einem Verhältnis .Von etwa 1 : h. ■» '·

Die Fig. 3 zeigt nun ein Diagramm, in dem die Durchflußmenge Q in Abhängigkeit von der auftretenden Druckdiffe- . renz P aufgetragen ist. Dabei zeigt eine Kennlinie U8 das Verhalten eines auf dem Markt befindlichen Regelventils, das ebenfalls einstufig ausgebildet ist und mit einem Flachschieber in Drehschieberbauweise arbeitet. Wie die Kennlinie U8 aufzeigt, wird bei größeren Druckmittelströmen und größeren P der Einfluß der Strömungskräfte auf den Schiebet-

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so groß, daß die Kennlinie kö stark von einer Parabelform abweicht. Dieses Ventil arbeitet daher in diesem Grenzbereich nicht mehr stabil. Demgegenüber läßt sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Regelventil 10 eine Kennlinie ^9 erreichen. Wie aus dieser Kennlinie k9 hervorgeht, werden durch den Strömungskraftausgleich von Flachschieber 19 auch größere Druckmittelströme bei größeren Druckdifferenzen beherrschbar. Das Regelventil 10 kann damit in einem wesentlich größeren Bereich stabil arbeiten·und eignet sich besonders für eine Lageregelung des Flachschiebers.

In besonders einfacher Weise läßt sich dieses Verfahren realisieren, wenn in die Steuerbohrungen 27» 28 Stopfen eingesetzt werden, mit denen der jeweilige Abstand der Umlenkflächen 32 bzw. 33 eingestellt werden kann.

Unter Anwendung dieses Verfahrens läßt sich ein besonders vorteilhaftes Flachschxeberventxl in einstufiger Bauweise herstellen, wenn der als Drehschieber ausgebildete Flachschieber unmittelbar von einem elektromagnetischen Drehantrieb betätigt wird und dabei der Flachschieber nur einseitig durchströmt ausgebildet wird. Zudem ist es hierbei zweckmäßig, wenn die Steuerkante jeder Steuerhülse in einer ebenen. Steuerfläche liegt, zu der auch die zugehörige Umlenkfläche .parallel verläuft.

Selbstverständlich sind Änderungen an dem aufgezeigten Verfahren und an dem damit arbeitenden Flachschxeberventxl möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann das Verfahren auch bei einem längsbeweglichen Flachschieber angewandt werden, wobei ein Proportionalmagnet als Antrieb verwendbar ist. Auch ist das Verfahren nicht begrenzt auf ein Ventil mit zwei Steuerhülsen; es

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sind auch Mehrfachanordnungen davon denkbar. Die Umlenkflächen können fast im Gehäuse oder im beweglichen Steuerglied angeordnet sein. Auch eine Kombination einer ebenen Steuerfläche mit einer gekrümmten Umlenkfläche oder umgekehrt ist nicht ausgeschlossen.

Claims

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25.3.1981 My/Kn

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Ansprüche

Verfahren zum Strömungskraftausgleich bei einem Flachschieberventil j bei dem in einem Gehäuse mit einer

Sctlieberausnehmung ein Flachschieber beweglich geführt ist, wobei "von Druckmittel durchströmbare Steuerhülsen und jeweils zugeordnete, gleichgroße Steuerbohrungen in einer Steuerfläche aneinander stoßen, so daß ringförmige Steuerkanten am Flachschieber mit zugeordneten, ringförmigen Steuerkanten am Gehäuse zusammenarbeiten, die in Mittelstellung des Flachschiebers koaxial zueinander liegen und mit im Abstand von den Steuerkanten liegenden, den die Steuerkanten passierenden Druckmittelstrom umleitenden Umlenkflächen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (^T) der parallel zu einer durch die Steuerkanten gebildeten Steuerfläche (2U) ausgebildeten Umlenkflächen (32, 33) von den zugeordneten Steuerkanten (25, 26) so gewählt ist, daß die von den Druckmittelströmen auf den Flachschieber (19) ausgeübten Impulskräfte mindestens nahezu kompensiert werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachschieber (19) nur einseitig durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfläche (2U) und die Umlenkflächen (32, 33) eben ausgebildet sind.

H^ U. Flachschieberventil mit einer in einem Gehäuse angeordneten Schieberausnehmung in der ein Flachschieber beweglich geführt ist- und bei dem der Flachschieber mindestens zwei vom Druckmittel durchströmbare Steuerhülsen aufweist, deren Steuerkanten mit zugeordneten Steuerkanten an gehäusefesten Bohrungen zusammenarbeiten, die. in Mittelstellung des Flachschiebers koaxial zu den Steuerhülsen im Gehäuse liegen und deren Abschnitte auf . einer Seite des Flachschiebers als Anschlüsse für einen

Servomotor dienen, während die Abschnitte auf der. anderen W

Seite die Druckmittelströme umleitende Stopfen aufnehmen, deren Umlenkfläche im Abstand von den Steuerkanten liegt, gekennzeichnet durch die Verwendung der Stopfen (29, 31 ) zur Einstellung der Abstände (U7) auf eine Größe, bei welcher die von den Druckmittelströmen auf den Flachschieber (19) ausgeübten Impulskräfte kompensiert werden.

5- Regelventil in einstufiger Bauweise mit einem Flachschieberventil und einem elektromagnetischen Antrieb, dessen Anker unmittelbar mit dem Flachschieber mechanisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Flachschieber ist als Drehschieber (19) ausgebildet

b) der elektromagnetische Antrieb ist ein Drehantrieb (12)

c) !der Flachschieber (19) und das Gehäuse (13) weisen zwei Steuerhülsen (22, 23) und zugeordnete koaxiale Bohrungen (27, 28) auf, wobei die Bohrungen (27, 28) die Steuerhülsen (22, 23) durchfließenden Druckmittelströme umleitende Umlenkflächen (32, 33) aufnehmen, deren Abstand (1+7) von den Steuerkanten (25) der Steuerhülsen (22, 23) so gewählt ist, daß die von den Druckmittelströmen auf den Drehschieber (19) ausgeübten Impulskräfte kompensiert werden

d) der Drehschieber (19) ist als einseitig durchströmbarer Flachschieber ausgebildet

e) die Steuerkanten (25) des Flachschiebers (19) liegen in einer Ebene, zu denen die ebenen Umlenkflächen (32, 33) parallel verlaufen.

6. Regelventil nach Anspruch ξ, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerhülsen (22, 23) den Steuerkanten (25) zugeordnete, kegelige Eindrehungen (3M aufweisen.

T. Regelventil nach Anspruch JT, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Steuerhülse (22, 23) so gewählt ist, daß einerseits bei Nenndurchfluß eine geringe Drosselung des Durckmittelstroms in der Steuerhülse (22, 23) relativ zum aufgesteuerten Querschnitt erfolgt und daß andererseits der die Steuerhülse durchfließende Druckmittelstrom eine ausreichende Impulskraft auf den Flachschieber zum Strömungskraftausgleich erzeugt,

8. Regelventil nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Abstand (k-2) zu Innendurchmesser der Steuerhülse (22, 23) vorzugsweise im Bereich von 1 : Ij- liegt.