DE3210603C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Ein bekanntes gattungsgemäßes Steuerventil ist in Fig. 1 dargestellt. Das Steuerventil weist eine Vierkantschraube 2 auf, die in einem Hohlraum eines Gehäuses 1 des Steuerventils eingeschraubt ist und mittels eines Drehan­ triebs in Form eines Stellmotors 3 vor- oder rückwärts bewegt werden kann. Durch diese Bewegung kann der Druck eines Stellkraftwandelelements, das als Feder 5 zwischen der Vierkantschraube 2 und einem Schließkörper 4 an­ geordnet ist, auf den Schließkörper 4 erhöht oder ver­ mindert werden, so daß ein Entlastungsdruck gesteuert werden kann.

Da die Feder 5 eines solchen bekannten Steuerventils durch schrittweise Drehung der Vierkantschraube 2 mittels des Stellmotors 3 fortschreitend zusammengedrückt wird, wird aufgrund der elastischen Verformung der Feder 5 eine Reaktionskraft aufgebaut, die als Lastmoment auf den Stellmotor 3 wirkt. Daher erfordert eine starke Zusam­ mendrückung der Feder 5 einen großen Energieeintrag zur Betätigung des Steuerventils. Der Stellmotor 3 muß also ein hohes Leistungsvermögen aufweisen, da andernfalls eine Betätigung des Steuerventils mit hoher Geschwindig­ keit nicht möglich wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Steuerventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, dessen Betätigung nur einen geringen Ener­ gieeintrag erfordert und dabei trotzdem mit hoher Ge­ schwindigkeit möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1.

Hierdurch wird eine auf den Drehantrieb wirkende Stütz­ kraft erzeugt, die der auf den Drehantrieb ausgeübten Reaktionskraft des Stellkraftumwandelelements entgegen­ wirkt. Die Größe der Stützkraft entspricht dabei der Größe der Reaktionskraft, so daß auf den Drehantrieb kein Lastmoment wirkt. Daher ist zur Betätigung des Steuer­ ventils nur ein geringer Energieeintrag erforderlich, so daß sich als Drehantrieb Stellmotoren geringer Baugröße verwenden lassen. Trotz des geringen benötigten Ener­ gieeintrags ist dabei eine hohe Betätigungsgeschwindig­ keit möglich.

Bei Ausbildung des Steuerventils gemäß Anspruch 2 läßt sich vorteilhaft erreichen, daß die Größe der erzeugten Stützkraft in jeder Stellung des Nockens der Größe der Reaktionskraft des Stellkraftumwandelelements ent­ spricht. Zugleich wird eine sprunghafte Ändrung der Größe der Stützkraft vermieden.

Wird gemäß Anspruch 3 eine exzentrisch gelagerte Dreh­ scheibe als Nocken verwendet, so kann das Druckelement unmittelbar von der Drehscheibe ausgelenkt werden. Damit wird ein sonst erforderliches Zwischenglied, vorzugsweise in Form einer Kugelgewindestange, entbehrlich.

Die Ausbildung des Steuerventils gemäß Anspruch 4 zeich­ net sich vorteilhaft durch einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Funktionsweise aus.

Bei Anordnung eines Untersetzungsgetriebes zwischen Dreh­ antrieb und Nocken nach Anspruch 5 ist es vorteilhaft möglich, eine erhöhte Stützkraft zu erzeugen.

Bei Ausbildung des Steuerventils gemäß Anspruch 6 wird eine sehr genaue und zuverlässige Betätigung des Steuer­ ventils erreicht. Dabei wird die zum Zusammendrücken des Stellkraftumwandelelements erforderliche Kraft bei Dre­ hung eines Nockens erzeugt, wie es auch bei Erzeugung der Stützkraft der Fall ist. Vorteilhaft läßt sich gemäß Anspruch 7 als Nocken eine exzentrisch gelagerte Dreh­ scheibe verwenden.

Bei Ausbildung des Steuerventils gemäß Anspruch 8 ergibt sich der Vorteil, daß ein gesonderter Nocken für die Druckeinrichtung entbehrlich ist. Dies führt zu einem ausgesprochen kompakten Aufbau des Steuerventils, da die exzentrisch gelagerte Scheibe sowohl den Kraftfluß von dem Drehantrieb auf das Stellkraftumwandelelement wie auch den Kraftfluß von der Druckeinrichtung auf den Dreh­ antrieb überträgt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines bekannten Steuer­ ventils,

Fig. 2 einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils,

Fig. 3 eine Ansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 2 aus Richtung der Pfeile A-A in Fig. 2,

Fig. 4 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform ge­ mäß Fig. 4 entlang der Linie D-D in Fig. 4,

Fig. 6 einen Teilschnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils,

Fig. 7 eine Fig. 5 entsprechende Darstellung der Aus­ führungsform gemäß Fig. 6 entlang der Linie F-F in Fig. 6, und

Fig. 8 eine Darstellung des charakteristischen Kurven­ verlaufes des durch die Stellkraft hervorge­ rufenen Lastmomentes.

In den Fig. 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils dargestellt, das einen Schließkörper 10, eine Feder 11 als Stellkraft- Umwandelelement zum Andrücken des Schließkörpers 10 und einen Drehantrieb 12 für die Zusammendrückung der Feder 11 aufweist. Zusätzlich ist eine Einrichtung 13 zur Erzeugung einer Stützkraft vorgesehen, die ent­ gegen der Richtung der auf den Drehantrieb 12 wirkenden Reaktionskraft der zusammengedrückten Feder 11 gerichtet ist und die eine der Größe der Reaktionskraft entsprechende Größe hat, so daß die Stützkraft auf den Drehantrieb 12 ausgeübt werden kann.

Bei dieser Ausführungsform ist der als Ventil ausgebil­ dete Schließkörper 10 in einem Durchgang oder Hohlraum angeordnet, der in einem Gehäue 14 des Steuerventils angeordnet ist. Weiterhin ist ein Druckelement in Form einer Schubstange 15 gleitbar in dem Gehäuse 14 gelagert, und die Feder 11 ist zwischen dem Schließkörper 10 und der Schubstange 15 ageordnet, deren Spitze mit dem Drehantrieb 12 in Verbindung steht. Der Drehantrieb 12 weist einen drehwinkelgesteuerten Motor, wie beispielsweise einen Schrittmotor 16, eine drehende Welle 17 des Schrittmotors 16, ein auf der Welle 17 fest angeordnetes Zahnrad 18, ein weiteres mit dem Zahnrad 18 in Eingriff stehendes Zahnrad 19 und ein Gewindeteil, z. B. eine Kugelgewindestange 20, auf, die an dem Zahnrad 19 festgelegt ist, wobei die Kugelgewindestange 20 mit einer Kehle im Hohlraum des Gehäuses 14 des Steuerventils schraubbar verbunden ist und das Ende der Schubstange 15 drehbar lagert.

Die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft weist ein Zahnrad 21 auf, das mit dem Zahnrad 18 in Eingriff steht. Weiterhin weist die Einrichtung 13 eine drehende Welle 22, die das Zahnrad 21 lagert und die ihrerseits im Gehäuse 14 des Steuerventils gelagert ist, einen Nocken 23, der fest auf der Welle 22 angeordnet ist, und eine Druckeinrichtung zum Drücken des Nockens 23 auf, um diesen mit einer Drehkraft zu beaufschlagen. Die Druckeinrichtung weist einen Arm 26 auf, der schwenkbar an einer gehäusefesten Lagerstelle 24 angelenkt ist und an seinem vorderen Ende eine Rolle 25 aufweist, die mit dem Nocken 23 in Verbindung steht. Weiterhin weist die Druckeinrichtung ein elastisches Element, wie beispiels­ weise ein Federelement 27, zur Federbelastung des Armes 26 auf den Nocken und eine Konsole 28 zur Lagerung der Feder 27 auf.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der ersten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Steuerventils er­ läutert. Wenn sich der Schrittmotor 16 zuerst in seiner Ausgangsstellung gemäß Fig. 2 befindet, ist der Betrag der Zusammendrückung der Feder 11 gleich Null und daher die Größe der auf den Schrittmotor 16 von der Feder 11 ausgeübten Reaktionskraft ebenfalls Null. Der Nocken 23 der Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft befindet sich in dem in Fig. 3 mit ausgezogenen Linien darge­ stellten Zustand, wobei er die Rolle 25 des Armes 26 an der mit 30 bezeichneten Stelle berührt. Die Ober­ fläche des Nockens 23 weist einen Umriß mit einem der­ artigen Krümmungsradius auf, daß die Normale auf den Krümmungsradius des Nockens 23 im Berührungspunkt 30 durch den Mittelpunkt des Querschnittes der drehenden Welle 22 verläuft. Der Umriß des Nockens 23 ermöglicht einer Druckkraft F des Armes 26 auf den Nocken 23 in Richtung der Normalen zu wirken, wobei keine Kraft er­ zeugt wird, die den Nocken 23 dreht. Damit ist der Be­ trag der Stützkraft Null.

Wird der Schrittmotor 16 nun für eine Drehung im Uhr­ zeigersinn angetrieben, um die mit einem Linksgewinde versehenen Kugelgewindestange 20 in Richtung des ein­ gezeichneten Pfeiles B nach vorne zu bewegen, wodurch die Schubstange 15 die Feder 11 auf einen maximalen Aus­ lenkungswert zusammendrückt, beginnt die Reaktionskraft der Feder 11 in Richtung des mit C bezeichneten Pfeiles auf die Schubstange 15 zu wirken, mit der Folge, daß ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes Belastungsmoment auf den Stellmotor 16 wirkt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Nocken 23 in der mit strichpunktierten Linien dargestellten Stellung gemäß Fig. 3, wobei er die Rolle 25′ bei 30′ berührt. Daher entsteht beim Errichten der Normale auf den Krümmungsradius im Berührungspunkt 30′ ein gewisser Abstand l zur drehenden Welle 22, so daß der Arm 26 ein Drehmoment F′xl auf den Nocken 23′ aus­ üben kann. Dieses Drehmoment wirkt seinerseits als im Uhrzeigersinn wirkendes Moment oder als Stützkraft auf den Schrittmotor 16. Durch passende Wahl des Krümmungs­ radius des Nockens 23, der Relativstellung des Nockens 23 und des Armes 26, der Federkraft oder Elastizität der Feder 27 usw. ist es möglich, eine Stützkraft zu er­ zeugen, die äquivalent zur durch die Zusammendrückung der Feder 11 erzeugten Reaktionskraft ist, wodurch das auf den Schrittmotor 16 wirkende Lastmoment auf Null reduzierbar ist.

Ebenso ist es möglich, bei der Stellbewegung des Stell­ motors 16 von der Ausgangsstellung in die maximal aus­ gelenkte Stellung durch Verwendung eines Nockens mit entsprechendem Krümmungsradius, beispielsweise mit einem sich allmählich ändernden Krümmungsradius, eine Stütz­ kraft zu erzeugen, deren Größe gleich derjenigen der Reaktionskraft der Feder 11 in jeder möglichen Stellung ist, so daß das Belastungsmoment auf den Schrittmotor 16 stets Null ist.

Da die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft er­ findungsgemäß einen Nocken 23, der sich gemäß der Ein­ gangsauslenkung des Drehantriebs, wie beispiels­ weise dem Betrag der Zusammendrückung der Feder 11, dreht und eine Druckeinrichtung zur Erzeugung eines den Nocken 23 drehenden Drehmomentes aufweist, das sich bei drehendem Nocken 23 ändert, sind die Reaktionskraft der Feder 11 und die Stützkraft beide proportional zur Eingangsaus­ lenkung, so daß sich beide gegeneinander aufheben.

In den Fig. 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerventils dargestellt. Die bei dieser Ausführungsform gewählte Anordnung des Drehantriebs 12 macht die Verwendung der Kugel­ gewindestange der Ausführungsform gemäß Fig. 2 über­ flüssig. Der Drehantrieb 12 lenkt die Schub­ stange 15 mittels einer Drehscheibe 40 direkt aus, wo­ bei die Drehscheibe 40 fest und außermittig auf der Wel­ le 17 des Schrittmotors 16 angeordnet ist und wobei die Drehscheibe 40 mit einem um sie herum angeordneten La­ ger 41 versehen ist. Die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft weist den Nocken 23 auf, der direkt auf der Welle 17 des Schrittmotors 16 befestigt ist. Alle übrigen Teile sind in einer der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 entsprechenden Art und Weise an­ geordnet und vorgesehen. Wird nun die Drehscheibe 40 in der durch den Pfeil E angezeigten Richtung gedreht, um die Feder 11 mittels der Schubstange 15 zusammenzu­ drücken, beginnt die Reaktionskraft der Feder 11 ent­ gegen der Richtung des Pfeiles E auf den Schrittmotor 16 zu wirken, während die durch den Arm 26 ausgeübte Rück­ stellkraft in Richtung des Pfeiles E wirkt. Auch bei die­ ser Ausführungsform verläuft die Wirkungslinie der Kraft F, die von dem Arm 26 ausgeübt wird, durch den Mittel­ punkt der Welle 17, so daß die Rückstellkraft den Be­ trag Null hat, wenn der Schrittmotor 16 noch nicht ar­ beitet bzw. die von ihm angetriebenen Teile sich in ihrer durch die stark ausgezogenen Linien verdeutlichten Aus­ gangslage befinden. Die Stützkraft wächst proportional zur Reaktionskraft der Feder 11 bei der Drehung des Nockens 23 so lange an, bis der Punkt der maximalen Auslenkung erreicht ist, wie er mittels der strich­ punktierten Linien verdeutlicht ist. Wie auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 hat das Lastmoment auf den Schrittmotor 16 zu jeder Zeit den Betrag Null. Zur Fest­ legung der Ausgangslage und des Punktes der maximalen Auslenkung sind Anschläge 42 bzw. 43 vorgesehen.

Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuer­ ventils ist in den Fig. 6 und 7 veranschaulicht. Diese Ausführungsform weist im wesentlichen die gleiche konstruktive Ausbildung wie diejenige gemäß Fig. 4 auf, wobei jedoch bei dieser Ausführungsform das Lager 41 in der Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft als Nocken anstelle des Nockens 23 der Ausführungsform gemäß Fig. 4 dient. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 steht der Arm 26 in direktem Eingriff mit dem La­ ger 41.

Auch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuer­ ventils kann eine Stützkraft gegen die Reaktions­ kraft der Feder 11 auf den Schrittmotor 16 ausüben. Da jedoch der Nocken 23 durch das Lager 41 eines bestimmten Krümmungsradius' ersetzt wird, kann die Größe der Stütz­ kraft nicht genau den gleichen Betrag der Reaktionskraft der Feder 11 annehmen. Man erhält mit anderen Worten nur eine Stützkraft mit einer im wesentlichen proportionalen Größe zu der der Reaktionskraft.

Fig. 8 zeigt einen Graphen der Beziehung zwischen der Auslenkung der Feder 11 und dem Lastmoment auf den Stellmotor 16. Die strichlierte Linie verdeutlicht die Beziehung ohne die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft des erfindungsgemäßen Steuerventils, während die voll ausgezogene Kurve die Beziehung ver­ deutlicht, die bei der Ausführngsform gemäß Fig. 6 erhalten wird.

Wie oben beschrieben, weist das erfindungsgemäße Steuer­ ventil eine Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stütz­ kraft zur Beaufschlagung des Drehantriebs 12 mit einer Stützkraft auf, wobei die Stützkraft eine Größe proportional zur Reaktionskraft der Feder 11 aufweist, welche als Stellkraftumwandelelement wirkt und wobei die Stützkraft entgegen der Richtung der Reaktionskraft aus­ geübt wird. Folglich kann selbst bei einer großen Re­ aktionskraft die Last auf de Drehantrieb 12 klein oder zu Null gemacht werden, so daß ein Hochge­ schwindigkeitsantrieb mit einer kleinen Antriebskraft möglich gemacht werden kann. Dieser Vorteil ist ins­ besondere dann bemerkenswert, wenn ein kleiner Dreh­ antrieb 12 wie beispielsweise der Schrittmotor 16 verwendet wird. Da die Einrichtung 13 zur Erzeugung der Stützkraft einen Nocken 23 eines passend zu wählenden Krümmungsradius' wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 oder 4 verwendet, kann die Größe der Reak­ tions- und der Stützkraft jeweils gänzlich gleichge­ macht werden, so daß die Last auf dem Drehantrieb 12 zu Null werden kann.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Steuerventil nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen be­ schränkt, sondern kann auf vielfältige Weise geändert oder modifiziert werden, ohne dabei den Rahmen der Er­ findung zu verlassen. Beispielsweise kann der Dreh­ antrieb 12 neben einem Schrittmotor 16 jegliche andere Art von über die Winkelstellung regelbaren Motoren aufweisen, beispielsweise einen mit einem Potentiometer versehenen Gleichstrommotor oder andere manuell oder mechanisch steuerbare bzw. regelbare Auslenkungsein­ richtungen. Als Stellkraftumwandelelement können alle zur Feder 11 gleichwertigen Einrichtungen verwendet wer­ den, oder es kann mittels einer Draht-Fernbedienung ge­ handhabt werden. Das erfindungsgemäße Steuerventil kann anstatt eines üblichen Ventils beispielsweise ein Düsen- bzw. Klappenventil auf­ weisen. Während die Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und 7 die Drehscheibe 40 aufweisen, die direkt auf der drehen­ den Welle 17 des Stellmotors 16 angeordnet ist, ist es weiterhin wahlweise möglich, die Welle 17 des Stell­ motores 16 und eine Welle der Drehscheibe 40 mittels eines Untersetzungsgetriebes zu verbinden. Der Nocken 23 der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann durch eine Exzen­ terscheibe ersetzt werden.

Claims (8)

1. Steuerventil, dessen Schließkörper vom Druck im Druckmittelkanalanschluß im Öffnungssinn und von ei­ nem elastisch wirkenden Stellkraftumwandelelement im Schließsinn beaufschlagt ist, wobei die Vorspannung des Stellkraftumwandelelementes durch einen Drehan­ trieb einstellbar ist, der zum Zusammendrücken des Stellkraftumwandelelementes mit einem sich an diesem abstützenden, linear verschiebbaren Druckelement be­ wegungsmäßig gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Drehantrieb (12) ein stetig mit der Ver­ schiebung des Druckelementes (15) drehbarer Nocken (23) bewegungsmäßig gekoppelt ist und daß sich am Nocken (23) eine Druckeinrichtung (26, 27) abstützt, die eine den Nocken (23) drehende Kraft erzeugt, die sich mit der Drehung des Nockens (23) in Schließ­ richtung des Ventils stetig vergrößert.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (23) einen sich stetig ändernden Krümmungsradius aufweist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Nocken (23) eine exzentrisch gela­ gerte Drehscheibe (40) ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung (26, 27) einen drehbar gelagerten Arm (26) mit einem auf den Nocken (23) wirkenden Druckteil (25) und ein Federelement (27) zum Drücken des Armes (26) gegen den Nocken (23) aufweist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Drehantrieb (12) und dem Nocken (23) ein Untersetzungsgetriebe angeordnet ist.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (12) einen drehwinkelgesteuerten Motor (16) und einen mittels des Motors (16) drehbaren Nocken zum Zusammendrücken des Stellkraftumwandelelementes (11) aufweist.

7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Nocken zum Zusammendrücken des Stell­ kraftwandelelementes (11) eine exzentrisch gelagerte Drehscheibe (40) ist.

8. Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckeinrichtung (26, 27) an der Dreh­ scheibe (40) angreift.