DE3205860C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus einem Vorsteuerventil, dessen Steuerschieber zwischen zwei Magneten angeordnet ist und einem Hauptventil, dessen Kolben von dem am Vorsteuerventil eingesteuerten Druck beaufschlagt ist, sind bekannt und dienen beispielsweise der Steuerung der Druckmittelwege von und zu einem doppeltwirkenden Hydraulik­ zylinder. Die Mittelstellung des Steuerschiebers des Steuer­ ventils wird durch Zentrierfedern eingestellt. Soll der Steuerschieber aus der Mittelstellung in die eine Richtung verschoben werden, so wird die Wicklung des einen Magneten mit einem Stromsignal beaufschlagt, während beim Verschieben in die andere Richtung ausgehend von der Mittelstellung die andere Wicklung erregt wird. Beim Durchfahren der Mittel­ lage wird also von der einen Magnetwicklung auf die andere umgeschaltet. Die Bauweise solcher Ventile ist zwar einfach, doch weisen sie keine lineare Hub-Druck-Kennlinie auf, so daß sie zum Einsatz in Regelkreise nicht geeignet sind. Außerdem erfolgt die Rückstellung des Steuerschiebers allein durch die Rückstellkraft der Justierfedern.

Die genannten Nachteile lassen sich mit bekannten Servo­ ventilen vermeiden, die für den Einsatz in Regelkreisen geeignet sind. Solche Servoventile bedingen jedoch einen erheblichen Bauaufwand, da das Eingangssignal von einem Steuermotor mit Permanentmagnet, Steuerspulen und Anker mit Prallplatte in eine proportionale Bewegung der Prall­ platte umgewandelt wird und in einem hydraulischen Verstärker mit der zwischen zwei Düsen angeordneten Prallplatte eine Druckdifferenz erzeugt wird, mit der der Kolben des Schieber­ ventils beaufschlagt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es daher, das Regelventil der eingangs geschilderten Art so weiter­ zubilden, daß es Eigenschaften erhält, die mit denen eines Servoventils vergleichbar sind.

Die Aufgabe ist durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Regelventil gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist der Steuerschieber des Steuerventils zwischen den Ankern der beiden Magnete eingespannt, die beide gleichzeitig mit einem Stromsignal angesteuert werden. Für die Mittelstellung des Steuerschiebers werden die beiden Magnetwicklungen gegensinnig mit jeweils einem Strom­ signal erregt. Diese Mittelstellung bei erregten Wicklungen muß mit der Mittelstellung des Steuerschiebers im stromlosen Zustand übereinstimmen. Ausgehend von der Mittelstellung wird nun das Stromsignal in mindestens einer Magnetwicklung vergrößert bzw. verkleinert, so daß sich eine Verschiebung des Steuerschiebers in der einen bzw. in der anderen Richtung ergibt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Regelventils liegt darin, daß die Schaltfrequenz in starkem Maße erhöht werden kann. Soll nämlich beispielsweise der Steuerschieber des Steuerventils in die Mittelstellung zurückgefahren werden, so wird das Stromsignal des Magneten auf der einen Seite beispielsweise um 100 mA erhöht, während das Strom­ signal für den Magneten der anderen Seite um 100 mA ver­ ringert wird, so daß sich eine Differenzkraft entsprechend der Stromdifferenz von 200 mA ergibt, welche auf den Steuer­ kolben wirkt. Diese Kraft steht zusätzlich zur Rückstell­ kraft der Justierfedern zur Verfügung, welche den Steuer­ kolben in die Mittelstellung zurückzuführen suchen.

Die Magnetwicklungen können in mehrfacher Weise angesteuert werden: In einer ersten Ausführungsform wird der eine Magnet mit einem konstanten Strom beaufschlagt, während das Strom­ signal in der Wicklung des anderen Magneten verändert wird. Vorzugsweise sind zur Einstellung der Mittelstellung des Steuerschiebers der Konstantstrom und der veränderliche Strom gleich, so daß sich jede Stellung des Steuerschiebers in der einen und in der anderen Richtung durch Veränderung des Stroms in der gesteuerten Wicklung ergibt. Infolgedessen genügt es, den mit Konstantstrom gespeisten Magnet als Schaltmagnet auszubilden, an den keine besonderen Anforde­ rungen hinsichtlich seiner Hub-Kraft-Kennlinie gestellt werden. Dieser Magnet soll ja nur eine bestimmte Ausgangs­ stellung des Steuerschiebers vermitteln. Es braucht nur der gegenüberliegende Magnet als Proportionalmagnet ausgebildet zu sein, bei dem also die vom Magneten ausgeübte Kraft während des vom Anker ausgeführten Hubes in einem möglichst großen Bereich linear ist.

Im zweiten Fall sind beide Magnete als Proportionalmagnete ausgeführt und werden zum Einstellen der Mittelstellung des Steuerschiebers jeweils mit dem gleichen Stromsignal erregt. Soll nun die Verschiebung des Steuerschiebers in die eine Richtung erfolgen, so wird das Stromsignal in dem einen Magneten erhöht und in dem anderen Magneten im selben Maße verringert, d. h. die Stromsignale in beiden Magnetwicklungen sind zueinander umgekehrt proportional. Durch eine derartige Gegeneinanderschaltung der beiden Magnete, deren Wicklung mit umgekehrt proportionalen Stromsignalen erregt werden, ist bei einem derartigen einfachen Wegeventil eine Linearität der Hub-Kraft-Kennlinie, also der von den Magneten längs des Hubes gelieferten Kraft zu erzielen, die mit der Linearität eines eingangs geschilderten Servoventils ohne weiteres vergleichbar ist. Es wird erfindungsgemäß eine nahezu voll­ ständige Linearität der Kennlinie erreicht. Die Linearität läßt sich sowohl für Proportionalmagnete mit ansteigender und waagrechter Kraft-Hub-Kennlinie erreichen als auch für Proportionalmagnete mit abfallender Kraft-Hub-Kennlinie.

Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines zweistufigen Regelventils mit magnetbetätigtem Steuerventil und einem Vier-Wege-Schieberventil,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein magnetbetätigtes Steuer­ ventil in einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 3 eine waagrechte Hub-Kraft-Kennlinie mit ansteigendem und abfallenden Ast eines Proportionalmagneten,

Fig. 4 eine abfallende Hub-Kraft-Kennlinie eines Proportionalmagneten und

Fig. 5 ein Schaltbild der Elektronikschaltung zum An­ steuern der Proportionalmagnete.

Fig. 1 zeigt ein zweistufiges Regelventil. Die erste Stufe besteht aus einem magnetbetätigten Vier-Wege-Schie­ berventil 10. In einer Längsbohrung des herkömmlichen und bei Großserienfertigung sehr preiswerten Ventilgehäuses 11 ist eine Steuerbüchse 12 mit erodierten Fenstern einge­ setzt. Demzufolge ist auch die Steuerbüchse preiswert herzustellen. In der Längsbohrung der Steuerbüchse ist ein Steuerschieber 13 verschiebbar angeordnet, der mit Steuer­ bunden 14, 15, 16 und 17 versehen ist, über welche die im Gehäuse 11 und der Steuerbüchse 12 angeordneten Druck­ mittelkanäle steuerbar sind. Auf je ein Ende des Steuer­ schiebers 13 wirkt je ein Anker 20, 21 eines Magneten 22, 23. Die Anker 20, 21 sind verschiebbar gelagert und jeweils von einer Magnetwicklung umgeben, deren Anschlüsse mit nicht dargestellten Klemmen verbunden sind.

Der Steuerschieber 13 ist in seiner Mittelstellung dar­ gestellt. Hierzu ist der Steuerschieber von zwei Justier­ federn 29, 30 gegensinnig beaufschlagt, so daß auch im stromlosen Zustand der Magnete 22, 23 die Mittelstellung des Steuerkolbens erreicht wird.

Die Zentrierfeder 29 ist zwischen dem Bund 17 des Steuer­ schiebers 13 und einer Hohlschraube 31 angeordnet, die mit der Steuerbüchse 12 verschraubt ist und durch welche der Anker 21 des Magneten 23 greift.

Die andere als Zentrierfeder dienende Justierfeder 30 ist auf der dem Steuerschieber 13 abgekehrten Seite des Magneten 22 angeordnet und stützt sich mit ihrem einen Ende auf dem Anker 20 und mit ihrem anderen Ende in einer Sackbohrung einer Einstellschraube 32 ab, die in eine Gewindebohrung 33 im Deckel 34 des Ma­ gnetgehäuses eingeschraubt ist. Durch Verstellen der Schraube 32 läßt sich so die Federspannung der Justier­ feder 30 verändern und damit die Mittelstellung des Steuer­ schiebers 13 von außen her einstellen.

In der dargestellten Mittelstellung sind durch die Bun­ de 15 und 16 des Steuerschiebers 13 die zu der zweiten Stufe führenden Kanäle 36 und 37 abgesperrt. Die Räume zwischen den Bunden 14, 15 bzw. 16 und 17 sind über den Kanal 38, 39 mit Tank verbunden und der Raum zwischen den Bunden 15 und 16 über den Kanal 40 mit einer Druckmittel­ quelle P.

Wird die Magnetwicklung des Magneten 22 mit einem bestimm­ ten Stromsignal erregt, so verschiebt sich der Anker 20 nach rechts und drückt auf den Steuerschieber 13, der sich somit ebenfalls nach rechts verschiebt und über den Steuerbund 16 die Verbindung des Druckmittelkanals 40 zum Kanal 37 öffnet, so daß Druckmittel zur zweiten Stufe ge­ langen kann, während die Verbindung des Kanals 36 über den Steuerbund 15 zum Kanal 39 geöffnet wird, wodurch eine Verbindung des Kanals 36 zum Tank zwecks Druckentlastung hergestellt wird. Je größer das Stromsignal i in der Magnetwicklung eingestellt wird, desto größer ist die vom Anker ausgeübte Kraft F. In Fig. 3 ist dies für eine waagrechte Hub-Kraft-Kennlinie mit ansteigendem und abfallendem Ast des Magneten dargestellt, wobei sich zeigt, daß sich eine Linearität eines einzelnen Proportionalmagneten nicht erzielen läßt. Vielmehr ändert sich die Kraft über die Hublänge für jedes eingestellte Stromsignal in der dargestellten Weise.

Es können auch Proportionalmagnete mit abfallender Hub- Kraft-Kennlinie Verwendung finden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Erfindungsgemäß sind zum Einstellen des Steuerschiebers 13 auf die dargestellte Mittelstellung beide Magneten 22 und 23 mit dem gleichen Stromsignal erregt. Die Größe des Stromsignals beträgt etwa die Hälfte des Nennstroms. Soll nun der Steuerschieber 13 nach rechts verschoben wer­ den, so wird der Strom im Magneten 22 im selben Maße er­ höht, wie im Magneten 23 verringert. Die Magnete werden also so angesteuert, daß ihre Ströme zueinander umgekehrt proportional sind. Es läßt sich anhand der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kennlinien zeigen, daß mit einem der­ artigen Gegeneinanderschalten der beiden Magnete und An­ steuern mit umgekehrt proportionalen Strömen eine nahezu vollständige Linearität der aus beiden Magneten resultie­ renden Hub-Kraft-Kennlinie erzielt wird. Die am Steuerschieber 13 wirkende Kraftdifferenz beider Magnete ist somit linear proportional dem Hub des Steuerschiebers, wie dies bisher nur mit komplizierten und aufwendigen Servoventilen mit Prallplatte und Düsensteuerung erreicht werden konnte.

Die entsprechend der Verschiebung des Steuerschiebers 13 erzeugte Druckdifferenz in den Kanälen 36, 37 wirkt auf die einander entgegengesetzten Steuerflächen 42, 43 des Schiebers 44 der zweiten Stufe, die ebenfalls als Vier- Wege-Schieberventil 45 ausgebildet ist. Steuerbunde 46, 47 des Schiebers 44 steuern je nach Lage des Schiebers die Verbindung von einer Druckmittelquelle P zu einem ersten Auslaß A bzw. zu einem zweiten Auslaß B, während jeweils der andere Auslaß A bzw. B mit Tank T verbunden ist. In bekannter Weise können die Auslässe A und B mit einem doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder verbunden sein, der nicht dargestellt ist.

Ferner kann auf der einen Seite des Wegeventils 45 ein elektro-magnetischer Weggeber 50 befestigt sein, der die jeweilige Verschiebung des Schiebers 44 erfaßt und in ein elektrisches Istwert-Signal umwandelt.

In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Steuer­ ventils 10 dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit glei­ chen Bezugszeichen versehen sind. Die zweite Stufe des Steuerventils, nämlich das Vier-Wege-Schieberventil 45 ist in Fig. 2 nicht dargestellt.

Die Änderung in Fig. 2 besteht darin, daß der Anker 20 des Magneten 22 nicht unmittelbar auf den Steuerschieber 13 wirkt, sondern vielmehr über eine Justierfeder 52, die zwischen einer auf dem Steuerschieber 13 angeordneten Plat­ te 53 und einem auf dem Anker 20 angeordneten Federhal­ ter 54 angeordnet ist. Somit sind die Feder 52 und der Anker 20 hintereinander in Reihe geschaltet. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 ist aber die Justierfeder 29 parallel zum Anker 21 des gegenüberliegenden Magneten 23 angeordnet und stützt sich unmittelbar zwischen der ge­ häusefesten Hohlschraube 31 und dem Steuerschieber 13 ab, wie auch der Anker 21 unmittelbar auf den Steuerschieber wirkt.

Die dargestellte Mittelstellung des Steuerschiebers 13 wird durch entsprechende Bemessung und Einstellung der Federn 31 und 52 im stromlosen Zustand der Magneten erreicht. Diese Mittelstellung soll auch beim Einschalten der Ma­ gnete erreicht werden. Hierzu wird die Wicklung des linken Magneten 22 mit einem Konstantstrom erregt und die Wicklung des rechten Magneten 23 mit einem bestimmten Strom, wobei beide Ströme so aufeinander abgestimmt sind, daß die Mittelstellung beibehalten bleibt. Aus dieser Mittelstellung heraus erfolgt nun die Verschiebung des Steuerschiebers 13 nach rechts bzw. nach links durch Ände­ rung des Stromsignals in der Wicklung des Magneten 23, das vergrößert bzw. verringert wird. Dabei bleibt das Stromsignal in der Wicklung des Magneten 22 konstant. Der Magnet 22 kann somit als einfacher Schaltmagnet ausge­ bildet sein, während nur der Magnet 23 ein Proportional­ magnet ist.

Der Schaltmagnet muß über die Feder 52 auf den Steuer­ schieber 13 wirken, damit die Mittelstellung des Schie­ bers bei durchgeschalteten Schaltmagnet und halb ange­ steuertem Proportionalmagnet 23 erreicht wird. Wird die Feder 52 durch den Schaltmagneten 22 um den doppelten Kolbenhub zusammengedrückt, so bewegt sich der Steuerschieber 13 in eine Endstellung, also nur um den Einfach­ kolbenhub weiter. Da der Proportionalmagnet 23 unmittel­ bar auf den Steuerschieber 13 wirkt, verstellt er diesen bei halber Ansteuerung in seine Mittelstellung und bei voller Ansteuerung in die andere Endstellung. Während der Magnet 23 über den Kolben 13 die Druckfeder 52 be­ lastet, entlastet er die Druckfeder 29 um den gleichen Betrag. Die Federkonstanten beider Druckfedern sind gleich und addieren sich. Eine Linearität des Kraft-Hub-Ver­ hältnisses zwischen den beiden Magneten im Sinne der Aus­ führungsform nach Fig. 1 durch Kompensierung der Hub- Kraft-Kennlinie zweier Proportionalmagnete ist in der Ausführungsform nach Fig. 3 nicht möglich, die jedoch eine sehr einfache Variante darstellt.

Da beide Federn 29 und 52 in Fig. 2 zum Einstellen der Mittellage des Steuerschiebers 13 nicht von außen zugäng­ lich sind, kann eine weitere Feder 30 vorgesehen sein, die von außen verstellbar ist und die in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet ist.

Es ist auch möglich, mit dem Regelventil nicht ein in Fig. 1 dargestelltes Schieberwegeventil anzusteuern, sondern beispielsweise ein Druckventil, das zur Reduzie­ rung des Pumpendruckes auf einen Verbraucherdruck propor­ tional zu dem elektrischen Eingangssignal dient.

In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die zum Ansteuern der beiden Proportionalmagnete mit zu­ einander umgekehrt proportionalen Stromsignalen dient. Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung dient zur Ansteue­ rung der Magnete 22 und 23 von Fig. 1. Ein elektrischer Sollwert zur Verstellung des Servoventils wird in einem Verstärker 60 verstärkt und wird dem Endverstärker 61 des Magneten 22 unmittelbar und dem Endverstärker 62 des Ma­ gneten 23 über eine Inverterstufe 63 invertiert zuge­ führt. Über die Einstellpotentiometer 64 und 65 der Ver­ stärker 61 und 62 läßt sich das dem Magneten 22 bzw. 23 zugeführte Stromsignal so einstellen, daß bei einge­ schalteter Elektronik die Nullage des Steuerschiebers vorgegeben wird. Dann erhalten beide Magnete 22 und 23 etwa 50% ihres Nennstroms, sie arbeiten mit gleichen Kräften und halten den Steuerschieber in der Nullage. Die Eingabe eines positiven Sollwerts in den Verstärker 60 bewirkt eine Vergrößerung des vom Verstärker 61 abge­ gebenen Stromsignals und mittels der Invertierstufe 63 eine Verringerung des vom Verstärker 62 abgegebenen Strom­ signals um den gleichen Betrag. Bei Eingabe eines nega­ tiven Sollwerts verläuft der gleiche Vorgang umgekehrt, so daß ausgehend von der Nullage der Steuerschieber je nach Eingabe eines positiven oder negativen Sollwert­ signals in Richtung der einen oder der anderen End­ stellung verschoben wird.

Wird das erfindungsgemäße Regelventil in einer Regel­ schaltung vorgesehen, so ist dem Verstärker 60 noch eine Sollwert-Istwert-Vergleichsstufe 66 vorgeschaltet, der über die Leitung 67 das Sollwertsignal und über die Lei­ tung 68 das Istwertsignal vom Weggeber 50 zugeführt wird.

Wenn sich bei Laständerungen die Position des Schie­ bers 44 der zweiten Stufe des Servoventils ändert, so bedingt dies eine Änderung des Istwertsignals auf der Leitung 68 und die Vergleichsstufe 66 bildet ein neues Fehlersignal, das dem Verstärker 60 zugeführt wird und eine Änderung der den Magneten 22 und 23 zugeführten Stromsignale bewirkt, so daß die Position des Steuer­ schiebers 44 entsprechend korrigiert wird.

Claims (7)

1. Regelventil mit einem Steuerventil (10), dessen Steuer­ schieber (13) von Magneten (22, 23) aus einer durch Federn einstellbaren Mittellage in beiden Richtungen verschiebbar ist und mit einer Betätigungsvorrichtung, insbesondere einem Schieberventil (45), dessen Kolben proportional zu der auf seine entgegengesetzten Steuer­ flächen wirkenden Druckkraftdifferenz des Steuerventils verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittellage beide Wicklungen der Magnete (22, 23) mit jeweils einem bestimmten Stromsignal beaufschlagt sind und daß die Verschiebung in eine der Richtungen aus­ gehend von den die Mittellage einstellenden Stromsignalen mittels Änderung des Stromsignals in wenigstens einer der Magnetwicklungen erfolgt.

2. Regelventil nach Anspruch 1, wobei beide Magnete Proportional­ magnete sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung in eine der Richtungen ausgehend von den die Mittellage einstellenden Stromsignalen mittels einer zueinander umge­ kehrt proportionalen Änderung der Stromsignale in den Magnet­ wicklungen erfolgt.

3. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Magnet (22) ein Schaltmagnet und der andere Magnet (23) ein Proportionalmagnet ist, wobei der Schalt­ magnet mit einem Konstantstrom beaufschlagt ist und ausgehend von der Mittelstellung des Steuerschiebers (13) das Stromsignal für die Wicklung des Proportionalmagneten erhöht bzw. verringert wird.

4. Regelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker des Schaltmagneten unter Zwischenschaltung einer ersten Druckfeder (52) auf den Steuerschieber (13) wirkt und der Anker (21) des Proportionalmagneten unter Parallelschaltung einer zweiten Druckfeder (29) unmittel­ bar auf den Steuerschieber wirkt.

5. Regelventil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine auf den Anker des Magneten wirkende Justierfeder (30) auf der dem Steuerschieber abgekehrten Seite mindestens eines Magneten (22) angeordnet ist.

6. Regelventil nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Proportionalmagnete von einer Elektronikschaltung ansteuerbar sind, die aus jeweils einem Verstärker (61, 62) für jede Magnetwicklung besteht, denen ein Sollwertsignal unmittelbar und über einen Inverter (63) zuführbar ist.

7. Regelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikschaltung als Regelschaltung ausgebildet ist, der das Istwertsignal von einem Weggeber zugeführt wird.