DE3122221A1

DE3122221A1 - Direkt gesteuertes servoventil

Info

Publication number: DE3122221A1
Application number: DE19813122221
Authority: DE
Inventors: Yoshimichi Hitachi Ibaraki Akasaka; Ken Mito Ibaraki Ichiryu; Ichiro Katsuta Ibaraki Nakamura; Haruo Hitachi Ibaraki Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1981-06-04
Publication date: 1982-02-11
Also published as: JPS571807A; DE3122221C2; JPS6150163B2; US4428559A

Description

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DEA-25488

Direkt gesteuertes Servoventil

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein direkt gesteuertes Servoventil, bei welchem der Steuerschieber direkt von einem Antriebsteil angetrieben wird, wobei die Kraft des Antriebsteils durch eine von einem Federelement erzeugte' Cegenkraft kompensiert wird, um auf diese Weise zur Steuerung der Strömung des Arbeitsmediums die Position des Steuerschiebers zu stabilisieren.

Zur Stabilisierung der Position des Steuerschiebers direkt gesteuerter Servoventile wurden bisher als elastische Elemente Spiralfedern verwendet. Es zeigt sich jedoch, daß bei Verwendung derartiger Spiralfedern die mittlere Längsachse der Spiralfeder nur mit Schwierigkeit auf die des Steuerschiebers eingestellt werden kann, da beim Zusammenbau in unvermeidlicher Weise gewisse Verschiebungen auftreten. Selbst wenn jedoch eine Übereinstimmung der beiden Längsachsen erreicht werden kann, so ergibt sich doch der Zustand, daß im Bereich des Endes der Spiralfeder einzelne Windungen miteinander in Berührung gelangen, so daß jener Teil der Spiralfeder eine höhere Federkonstante als der

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Rest der Spiralfeder aufweist» Dies führt dazu, daß die Kraftrichtung der Spiralfeder in bezug auf die Längsachse des Steuerschiebers geneigt ist, wobei eine Kraftkomponente auftritt, die den Steuerschieber gegen die Wandung des Steuerkörpers drückt. Dadurch erhöht sich die Reibung zwischen dem Steuerschieber und dem Steuerkörper, was eine gleichmäßige Bewegung dieser Elemente zueinander verhindert und die Hysteresis des Steuerventils erhöht.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist bereits ein Steuerventil bekannt (siehe JA-OS 94357), bei welchem zwischen dem Antriebsteil und dem Steuerschieber eine von dem Ventilteil gehaltene Membran angeordnet ist. Es zeigt sich jedoch, daß,jfalls eine ausreichende Linearität zwischen der Kraft und der Verschiebung gewünscht ist, die Federkonstante nicht ausreichend hoch gemacht werden kann. Mit dieser Anordnung kann somit keine ausreichend hohe Ansprechscharakteristik erreicht werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein direkt gesteuertes Servoventil zu schaffen, bei welchem radial verlaufende Kraftkomponenten zwischen dem Steuerschieber und dem Steuerkörper weitgehend vermieden sind, so daß bei Erzielung einer gleichmäßigen Bewegung des Steuerschiebers eine verbesserte Änsprechscharakterxstik erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,daß das Federelement ein metallischer zylindrischer Körper ist, der entlang der äußeren peripheren Oberfläche Durchbrechungen aufweist, wobei dieselben so angeordnet sind, daß bei einer auf das Federelement in axialer Richtung wirkender Kraft das Federelement in axialer Richtung wirkender Kraft das Federelement eine genau in axialer Richtung wirkende Gegenkraft erzeugt.

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Bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Servoventils wirkt die Rückführungskraft genau in der Längsachse des Steuerschiebers, so daß keine Kraftkomponente vorhanden ist, aufgrund welcher der Steuerschieber gegen die Wandung des Steuerkörpers gedrückt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann fernerhin eine ausreichend hohe Federkonstante erreicht werden, so daß durch geeignete Wahl der Größe und Anzahl der .vorgesehenen Durchbrechungen eine sehr hohe Ansprechcharakteristik erreicht werden kann.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausfuhrungsform des direkt gesteuerten Servoventils gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht des vorgesehenen elastischen Elements,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung der Pfeile A-A von Fig. 2,

Fig. 4 eine seitliche Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des elastischen Elements, und

Fig. 5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines direkt gesteuerten Servoventils gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen direkt gesteuerten Servoventils· Dieses Servoventil besitzt dabei einen Steuerschieber 3, welcher innerhalb eines Steuerkörpers 2 in axialer Richtung

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verschiebbar ist, wobei letzterer innerhalb eines Ventilkörpers 1 angeordnet ist. Innerhalb des Ventilkörpers 1 und des Steuerkörpers 2 sind dabei ein Zuführkanal P_ für die Zufuhr des Arbeitsmediums zwei Abflußkanäle P für den Ablauf des Arbeitsmediums sowie zwei Steuerkanäle P- und P-vorgesehen. Der Durchfluß des Mediums wird dabei in Abhängigkeit der Bewegung des Steuerschiebers 3 verändert.

Entsprechend Fig. 1 ist an dem rechten Ende des Steuerschiebers 3,beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißung oder Aufschrumpfen, ein Wicklungsträger 5 befestigt. Auf diesem Wicklungsträger 5 ist eine Wicklung 4 aufgewickelt. Diese Wicklung 4 steht unter dem Einfluß eines Magneten 6, welcher ein Magnetfeld erzeugt. Dieser Magnet 6 ist mit Hilfe eines eine mittige Ausnehmung aufweisenden Elementes 7 sowie eines einen mittleren zylindrischen Vorsprung aufweisenden Elementes 8 sowie eines Deckels 9 an dem Ventilkörper 1 befestigt. Der Wicklungsträger 5 mit der darauf gewickelten Wicklung 4 gelangt dabei in einen zwischen den Elementen 7 und 8 vorgesehenen Ringspalt zu liegen, wobei auf beiden Seiten der Wicklung 4 geringfügige Luftspalte vorhanden sind.

Der Magnet 6 und die auf dem Wicklungsträger 5 angeordnete Wicklung 4 bilden das Antriebselement des Servoventils. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, daß bei Stromfluß durch die Wicklung 4 eine der Stromgröße proportionale Atriebskraft erzeugt wird, welche den Steuerschieber 3 in axialer Richtung innerhalb des Steuerkörpers 2 bewegt.

Auf der linken Seite des Steuerkörpers 3 ist ein Federelement 1o angeordnet, welches aus demselben Material wie der Steuerschieber 3 besteht und einstückig mit demselben hergestellt ist. Das Federelement 1o wird mit Hilfe eines

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Endstückes 11 von dem Ventilkörper 1 getragen. Der Steuerschieber 3 wird somit so weit in axialer Richtung verschoben/ bis die von dem Federelement 1o erzeugte Gegenkraft gleich der durch den Antriebsteil erzeugten Kraft ist. Sobald ein Gleichgewicht der Kräfte erreicht ist, wird die Bewegung des Steuerschiebers 3 unterbrochen. Die Position, bei welcher die Arretierung des Steuerschiebers erfolgt, kann somit durch Beeinflussung des der Wicklung zugeführten Stromwertes verändert werden.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte seitliche Ansicht des Federelementes 1o von Fig. 1, während Fig. 3 eine Ansicht in Richtung der Pfeile A-A von Fig. 2 ist. Das Federelement besitzt demzufolge eine zylindrische Form und ist mit sieben Paaren von Längsschlitzen 12 versehen, die entlang der äußeren peripheren Oberfläche angeordnet sind. Die einzelnen Paare von Längsschlitzen 12 erstrecken sich dabei entlang der Umfanglinie, gehen jedoch nicht ineinander über. Die sieben Paare von Längsschlitzen 12 sind in axialer Richtung des Federelementes 1o entlang des Umfangs jeweils versetzt angeordnet, so daß die Längsschlitze 12 eines Paares mit den Diskonitätsstellen des danebenliegenden Paares axial ausgerichtet sind. Die gesamte Oberfläche des Federelementes 1o ist dabei mit Längsschlitzen 12 versehen. Der zylindrische Körper des Federelementes ergibt somit eine Anordnung, welche in axialer Richtung ausziehbar und bzw. elastisch zusammendrückbar ist. So wie dies anhand von Fig. 3 erkennbar ist, bilden die Längsschlitze 12 axial benachbarter Paare umfangsmäßig überlappende Bereiche L und umfangsmäßig nicht überlappende Bereiche NL sind dabei symmetrisch zu der Achse des Federelementes 10 derart angeordnet, daß bei Aufbringung einer Kraft in der Axialrichtung des Federelementes 10 eine entsprechende axial gerichtete Gegenkraft erzeugt wird. Die von dem Federelement 10 erzeugte

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Gegenkraft besitzt dabei keine Kraftkomponenten, aufgrund welcher der Steuerschieber 3 gegen die Wandung des Steuerkörpers 2 gedrückt wird. Durch geeignete Wahl der Größe und Anzahl der Längsschlitze kann fernerhin jede beliebige Federkonstante, insbesondere im höheren Bereich von beispielsweise 50 kg/mm erzielt werden. Die Resonanzfrequenz des Servoventils ist demzufolge relativ hoch, vjodurch die Ansprechcharakteristik des Servoventils verbessert wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind entlang des Umfangs des Federelementes 10 Längsschlitze ^angeordnet· Diese Längsschlitze können beispielsweise durch Stromentladungsverfahren mit sehr hoher Genauigkeit in das Federelement 10 eingebracht werden. Anstelle von Längsschlitzen 12 können jedoch entsprechend Fig. 4 auch eine Vielzahl von kleinen Bohrungen vorgesehen sein,, Fernerhin ist es möglich, anstelle entlang des Umfangs angeordneter Längsschlitze 12 einen einzigen kontinuierlichen Spiralschlitz vorzusehen. Wegen der zylindrischen Form kann dabei ein derartiges Federelement 10 sehr leicht hergestellt werden. Der Steuerschieber 3 und das Federelement 10 können fernerhin koaxial zueinander ausgelegt werden, ohne daß es dabei Schwierigkeiten gibtj, diese Elemente als Einheit herzustellen. Auf diese Weise können Verbindungsglieder zur Verbindung des Federelementes des Steuerschiebers und des Wicklungsträgers eliminiert werden, was zu einer Reduzierung des Gewichtes der beweglichen Teile des Servoventils führt, wodurch wiederum eine verbesserte Ansprechcharakteristik erzielbar ist=

Der Steuerschieber 3 und das Federelement 10 sind einstückig aus demselben Material hergestellt, welches den Anforderungen an beide Elemente 3, 10, d.h. Dauerhaftigkeit, Elastizität

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usw. genügt, während der Wicklungsträger 5, insbesondere im Hinblick auf die Erzielung eines reduzierten Gewichtes, aus einer sehr leichten Legierung/ beispielsweise Titan, Aluminium oder Magnesium, hergestellt ist. Auf diese Weise kann die Masse der beweglichen Teile weiterhin reduziert werden, was zur Verbesserung der Ansprechcharakteristik führt.

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen direkt gesteuerten Servoventils. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dahingehend, daß das Federelement 10, der Steuerschieber 3 und der Wicklungsträger 5 in axialer Ausrichtung einstückig aus demselben Material hergestellt sind. Dabei ist es möglich, innerhalb des Antriebsteils den Luftspalt sehr gering zu machen, weil bei einer derartigen Ausgestaltung die drei Elemente 3, 5, 10 sehr genau koaxial zueinander ausgerichtet sind. Der verringerte Luftspalt wiederum bewirkt eine erhöhte Magnetkraft des Antriebsteils, so daß die Ansprechcharakteristik des Servomotors dadurch verbessert wird. Um die Masse der beweglichen Teile des Servoventils zu reduzieren, erweist es sich als vorteilhaft, bei dieser Ausführungsform die drei Elemente 3, 5 und 10 aus einer leichten Legierung, beispielsweise Titan, Aluminium usw. herzustellen, wobei eine Oberflächenhärtung durch Kohlenstoff oder Stickstoffbehandlung wenigstens im Bereich des Steuerschiebers 3 und des Federelementes 10 vorgenommen wird.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE" "■ -

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O₁ D-8OOO MÖNCHEN Θ5

HITAQiI, LTD. 4. Juni 1981

DEA-25 488

Direkt gesteuertes Servoventil

Patentansprüche

.) Direkt gesteuertes Servoventil, bei welchem der Steuerschieber direkt von einem Antriebsteil angetrieben wird, wobei die Kraft des Antriebsteils durch eine von einem Federelement erzeugte Gegenkraft kompensiert wird, um auf diese Weise zur Steuerung der Strömung des Arbeitsmediums die Position des Steuerschiebers zu stabilisieren, dadurch gekennzeichnet , daß das Federelement (10) ein metallischer zylindrischer Körper ist, der entlang der äußeren peripheren Oberfläche Durchbrechungen (12) aufweist, wobei dieselben so angeordnet sind, daß bei einer auf das Federelement (10) in axialer Richtung wirkender Kraft das Federelement (10) eine genau in axialer Richtung wirkende Gegenkraft erzeugt,

ο Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchbrechungen (12) entlang der Gesamtoberfläche des F^derelementes (10) angeordnet sind.

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3. Servorventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchbrechungen (12) in Form von mehreren axial zueinander versetzten Sätzen angeordnet sind, wobei jeder Satz eine Mehrzahl von entlang derselben ümfangslinie angeordneter Durchbrechungen (12) aufweist und die Durchbrechungen (12) des einen Satzes gegenüber den Durchbrechungen (12) des benachbarten Satzes gegeneinander versetzt sind.

4. Servoventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Federelement (10) eine zylindrische iFJörm besitzt.

5. Servoventil nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet ,daß die Durchbrechungen (12) entlang des Umfangs verlaufende Längsschlitze sind.

6. Servoventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Federelement (10) aus demselben Material wie der Steuerschieber (3) besteht und einstückig mit demselben hergestellt ist.

7. Servoventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die überlappenden Bereich der Längsschlitze (12) symmetrisch in bezug auf die Achse des zylindrischen Federelementes (10) angeordnet sind.

8. Servoventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Antriebsteil einen Wicklungsträger (5) aufweist, welcher aus Leichtmetall hergestellt ist.

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9* Servoventil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Steuerschieber (3) und der Wicklungsträger (5) des Antriebsteils aus demselben Material bestehen und einstückig hergestellt sind.

10. Servoventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die in axialer Richtung benachbart liegenden Durchbrechungen (12) des Federelementes

(10) sich teilweise in Umfangsrichtung überlappen.

11. Servoventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das zylindrische Federelement (10),der Steuerschieber (3) und der Wicklungsträger (5) aus Leichtmetall hergestellt sind, wobei wenigstens das Federelement (10) und der Steuerschieber (3) eine Oberflächenhärtung besitzen.

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