DE3633312A1 - Magnetbetaetigtes ventil, insbesondere als sicherheitsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetbetätigtes Ventil, insbe­ sondere als Sicherheitsventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere bei Ventilen mit Kolbenschieber, die über längere Stillstandszeiten in einer bestimmten Position verharren, zeigen sich öfters Klemmeffekte. Dies gilt ins­ besondere dann, wenn die Ventile in einer der beiden End­ lagenpositionen stehen und ständig ein relativ hoher Ver­ sorgungsdruck radial an den Steuerkanten anliegt. Dabei haben Messungen ergeben, daß sich die Leckage im Ringspalt­ bereich zwischen dem Schieberkolben und der Gehäusebohrung mit der Zeit verringert, so daß der Schmierfilm abreißt: es kommt zur Grundreibung infolge des Kontakts zwischen dem Schieberkolben und dem Gehäuse. In diesem Fall ist der Magnet oder die den Kolbenschieber beaufschlagende Feder oft nicht mehr in der Lage, den Schieber zu bewegen. Dies ist insbesondere bei Sicherheitsventilen nachteilig, die während des einwandfreien Funktionierens einer Anlage, also während sehr langer Zeiträume in einer Endlagenpo­ sition stehen, aus der sie dann im Störfall umschalten sollen.

Beispielsweise wird im störungsfreien Betrieb einer hy­ draulischen Lenkhilfe für ein Kraftfahrzeug der Schieber­ kolben des Sicherheitsventils durch Magnetkraft entgegen Federkraft in einer Endlagenposition gehalten, in der der Servozylinder der Lenkhilfe mit Pumpendruck beaufschlagt ist. Im Störfall, beispielsweise bei Stromausfall, soll der Schieberkolben mittels der Feder in die andere End­ lagenposition umgeschaltet werden, in der der Pumpendruck abgesperrt und der Servozylinder mit dem Tank verbunden wird. Es sind aber auch andere Anwendungsfälle denkbar, wie Druckregelventile oder Ventile zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung oder Regelventile für Antiblockiersysteme, die relativ selten betätigt werden, so daß auch bei diesen die geschilderte zeitabhängige Klemmung auftreten kann.

Mit der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei der­ artigen Ventilen diesen Klemmeffekt zu verhindern.

Die genannte Aufgabe ist mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbil­ dungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wird somit in einer der beiden Endlagenpositionen des Ventilschiebers der Magnetspule ein pulsierendes Signal zugeführt, so daß der Kolbenschieber immer in Bewegung bleibt und der Spaltölstrom zwischen dem Steuerschieber und der Gehäusebohrung nicht abreißt. Es wird somit ein Zusammenbruch des Leckagestroms vermieden.

Es ist bekannt, ein Wechselspannungssignal geringer Ampli­ tude, auch Dithersignal genannt, dem an der Spule eines Proportionalmagneten anliegenden Gleichspannungs-Regel­ signal zu überlagern, um die Proportionalität zwischen dem Spulenstrom und der Lage des Schieberkolbens bei mög­ lichst geringer Hysterese zu erzielen. Hier wird also das Dithersignal stets dem Stromsignal zum Ansteuern einer bestimmten Regelstellung überlagert. Anstelle des Dither­ signals läßt sich die Magnetspule auch mit Impulssignalen konstanter Amplitude, auch Choppersignal genannt, an­ steuern, wobei die Größe des Regelsignals vom Tastgrad abhängig ist. Wird die Endlagenposition erreicht, so wird im Ansteuerverstärker für den Porportionalmagneten kein Choppersignal erzeugt, d. h. das Stromsignal ist gleich Null oder maximal. Dies gilt auch bei Ventilen (Sicher­ heitsventilen), die nur mit einer Konstantspannung be­ schaltet sind.

Erfindungsgemäß wird dagegen das pulsierende Signal nur in der Endlagenposition der Magnetspule aufgeschaltet, wozu eine eigene Schaltlogik unabhängig vom Ansteuerver­ stärker dient. Die Erfindung soll insbesondere Anwendung bei Sicherheitsventilen finden, beispielsweise für Servo­ lenkeinrichtungen und Antiblockiersysteme, also Anlagen, bei denen das entsprechende Ventil im Störfall in die andere Endlagenposition umschalten soll, beispielsweise bei Stromausfall, wenn der Kolbenschieber durch die Kraft einer Feder oder auch durch einen Vorsteuerdruck betätigt wird. Andererseits kann die erfindungsgemäße Ansteuerung vorzugsweise auch bei Ventilen Anwendung finden, die nach einer länger dauernden Betriebspause zuverlässig betätigt werden müssen. So ist beispielsweise ein Druckregelventil im Baggerbetrieb längere Zeit auf Tankdruck geschaltet und muß dann plötzlich auf Druck gefahren werden. Dies gilt auch bei Anwendungen im Mobil- und Industriebereich.

In diesen Fällen kann der Leckagestrom zwischen dem Steuer­ schieber und dem Gehäuse bei permanenter Ruheposition des Steuerschiebers abreißen. Dies gilt insbesondere in der sog. tankverbindenden Endlagenposition, in der also der Verbraucher mit dem Tank verbunden ist. Um dies zu ver­ hindern, wird in dieser Endlagenposition dem Stromsignal das zusätzliche pulsierende Signal überlagert. In der Regel ist in diesem Falle das Stromsignal gleich Null oder gleich maximaler Strom, je nachdem, ob das Ventil des Stromes offen oder geschlossen ist.

Je nach Bauweise von Magnet oder Ventil kann aber auch die Endlagenposition bei maximalem Stromsignal eingestellt werden, in der die Überlagerung mit dem zusätzlichen pul­ sierenden Signal gewünscht wird. In jedem Fall erfolgt die Ansteuerung mit dem pulsierenden Signal unabhängig vom Ansteuerverstärker. Das überlagerte pulsierende Signal darf die eigentliche Regel- oder Steuerfunktion des Ven­ tils nicht beeinflussen. Die Zusatzschaltung, insbesondere in Form einer Schaltlogik zum Aufschalten des pulsierenden Signals kann ohne Schwierigkeiten bei vorhandenen Systemen nachgerüstet werden. Ferner ist die Steueranordnung unab­ hängig vom Versorgungsdruck, vom Ventildurchmesser usw.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Druckregelventil im Schnitt,

Fig. 2 die Druck/Spulenstrom-Kennlinie des Druckre­ gelventils mit einem beim Stromsignal Null überlagerten Dithersignal,

Fig. 3 die Druck/Spulenstrom-Kennlinie mit einem bei maximalem Stromsignal überlagerten Dithersignal,

Fig. 4 ein Wegeventil im Schnitt,

Fig. 5 die Durchfluß/Spulenstrom-Kennlinie des Wegeventils mit einem beim Stromsignal Null überlagerten Dithersignal und

Fig. 6 die Durchfluß/Spulenstrom-Kennlinie mit einem bei maximalem Stromsignal überlagerten Dithersignal.

In Fig. 1 ist ein bekanntes Druckregelventil dargestellt. Es besteht aus einem Gehäuse 10 mit einer Bohrung 11, einem in der Bohrung 11 verschiebbaren Ventilschieber 12 mit Kolbenabschnitten 13 und 14 mit einer Steuerkante 15 bzw. 16, von welcher ein mit einem nicht dargestellten Verbraucher verbundener Kanal 17 mit einem zu einer Druck­ leitung führenden Kanal 18 oder an einen mit einem Tank verbundenen Kanal 19 verbindbar ist.

Der Ventilschieber 12 ist vom Stößel 22 eines im einzelnen nicht dargestellten Magnetventils 24 sowie von einer Feder 25 beaufschlagt. Mittels der Feder 25 wird der Ventil­ schieber 12 nach rechts in eine Endlagenposition ver­ schoben, in der der zur Pumpe P führende Kanal 18 vom Kolbenabschnitt 13 abgesperrt und die Verbindung vom Verbraucher A also dem Kanal 17 zum Tank T also dem Kanal 19 über den Kolbenabschnitt 14 geöffnet ist. In dieser Endlagenposition ist das der nicht dargestellten Magnetspule zugeführte Stromsignal minimal, also gleich Null. In der anderen Endlagenposition wird der Kolben­ schieber 12 bei Einstellung des maximalen Stromsignals für die Magnetspule entgegen der Kraft der Feder 25 um­ geschaltet, so daß der volle Pumpendruck zum Verbraucher A geführt wird, während die Verbindung zum Tank T abge­ sperrt ist. Zwischen den beiden Endlagenpositionen übt das Druckregelventil seine Regelfunktion zum Einsteuern eines Regeldrucks im Kanal 17 aus.

Die zugehörige Kennlinie ist in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich um eine direkte Kennung: beim Stromsignal Null ist auch der Druck P _A gleich Null, d. h. der Verbrau­ cher ist mit dem Tank verbunden und die Pulsanregung ist ebenfalls Null. In dieser Endlagenposition wird der Magnet 24 durch ein Dithersignal angeregt, das ein Wechselspannungs­ signal konstanter Frequenz ist und den Kolbenschieber 12 laufend in Bewegung hält. Dadurch baut sich im Ringspalt zwischen dem Kolbenschieber 12 und der Gehäusebohrung 11 ein geringfügiger hydraulischer Spaltstrom auf, der den Schmierfilm nicht abreißen läßt, so daß auch bei Ver­ braucherdruck gleich Tankdruck der Ventilschieber perma­ nent in einer Schwingungsbewegung gehalten wird.

In der in Fig. 2 dargestellten anderen Endlagenposition, die mit dem maximalen Stromsignal erreicht wird, ist in diesem Falle das Überlagern eines Dithersignals nicht erforderlich. Durch die Ventilbauweise bedingt wirkt in dieser Endlagenposition der volle Pumpendruck im Kanal 17 und damit auch auf die linke Stirnfläche des Kolben­ abschnitts 13, so daß hier keine Klemmgefahr gegeben ist.

In Fig. 3 ist eine umgekehrte Kennlinie des Druckregel­ ventils nach Fig. 1 gezeigt, wobei die Anschlüsse für die Kanäle 18 und 19 vertauscht sind, so daß der Verbraucher A mit dem Tank T verbunden wird, wenn der Steuerstrom i maximal ist, während der volle Pumpendruck beim Stromsignal Null dem Verbraucher zugeführt wird. In diesem Fall muß die Anregung mit dem pulsierenden Signal bei dem maximalen Stromsignal erfolgen. Erfolgt die Ventilverstellung mit einem Choppersignal, so ist auf Grund der Tastgradsteue­ rung der Steuerstrom in dieser Endlage maximal, pulsiert also nicht mehr. Wiederum wird der Schieberkolben permanent in der Regelbewegung gehalten, wenn der Verbraucherdruck gleich dem Tankdruck ist, so daß der hydraulische Spalt­ strom nicht abreißen kann.

In Fig. 4 ist ein bekanntes Wegeventil dargestellt. Es besteht aus einem Gehäuse 10′ und einem in einer Gehäuse­ bohrung 11′ verschiebbaren Kolbenschieber 12′ mit Kolben­ abschnitten 13′ und 14′ zur Verbindung eines zu einem Ver­ braucher A führenden Kanals 17′ mit einem an eine Pumpe P angeschlossenen Kanal 18′ bzw. einem an einen Tank T angeschlossenen Kanal 19′. Der Kolbenschieber 12′ wird von einer Feder 25′ in die rechte Endlagenposition ver­ schoben, in der der Verbraucher A mit dem Tank T verbunden ist. Durch den Stößel 22′ des Magneten 24′ wird der Kolben­ schieber 12′ entgegen der Kraft der Feder 25′ in die andere Endlagenposition umgeschaltet, in der der Verbraucher A mit dem Pumpendruck P verbunden ist.

Für diese Bauweise gilt wiederum die direkte Kennlinie ge­ mäß Fig. 5, in der beim Stromsignal gleich Null der Ver­ braucher A mit dem Tank T verbunden ist und der volle Verbindungsquerschnitt geöffnet ist, so daß sich der maximale Volumenstrom minus Q einstellt. In der anderen Endlagenposition, die beim Einstellen des Stromsignals i _max erreicht wird, ist der volle Verbindungsquerschnitt vom Kanal 18′ zum Kanal 17′ geöffnet. Beim Strom i _max/2 ist der Ventilschieber 12′ in der mittleren Neutralstellung.

In der Endlagenposition, in der der zur Pumpe P führende Kanal 18′ durch den Kolbenabschnitt 13′ abgesperrt, also der Verbraucher A mit dem Tank T verbunden ist, besteht wiederum die Gefahr, daß bei längerem Verharren in dieser Stellung das Ventil zum Klemmen neigt, da der Steuerstrom gerade Null und damit ohne Pulsation ist, so daß hier beim Stromsignal Null ein Dithersignal überlagert wird, das den Steuerschieber laufend in Bewegung hält.

In Fig. 6 ist die umgekehrte Kennlinie dargestellt, d. h. die Anschlüsse der Kanäle 18′ und 19′ sind vertauscht, so daß beim Stromsignal gleich Null der volle Volumen­ strom Q _max der Pumpe dem Verbraucher A zugeführt wird, während beim maximalen Stromsignal in der anderen End­ lagenposition wiederum der Verbraucher A mit dem zum Tank führenden Kanal 18′ verbunden ist. In dieser End­ lagenposition ist es erforderlich, dem maximalen Steuer­ strom (und ohne Pulsation) das Dithersignal zu unterlegen, um den Steuerschieber in Bewegung zu halten.

Zu den Fig. 3 und 6 ist zu bemerken, daß diese Kennlinien bei unveränderten Anschlüssen auch für einen umgekehrt wirkenden Magneten gelten.

Die gleichen Verhältnisse treffen in den Endlagestellungen bei Schaltventilen zu: maximaler Strom oder Strom Null, jeweils ohne pulsierende Anregung, so daß in entsprechen­ der Weise Dithersignale überlagert werden.

Claims (9)

1. Magnetbetätigtes Ventil, insbesondere als Sicherheits­ ventil, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines pul­ sierenden Signals, das dem an der Magnetspule anliegenden Stromsignal überlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsierende Signal dem minimalen oder maximalen, einer Endlagenposition des Kolbenschiebers des Ventils entsprechenden Stromsignal überlagert ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsierende Signal dem Stromsignal in der Endlagenpo­ sition überlagert ist, in der der Kolbenschieber einen Verbraucher mit einem Tank des hydraulischen Systems verbindet.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulsierende Signal eine konstante Frequenz hat.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenz des pulsierenden Signals an die Masse des Kolbenschiebers anpaßbar ist.

5. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des pulsierenden Signals temperaturabhängig steuerbar ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Amplitude des pulsierenden Signals ein­ stellbar ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurvenform des pulsierenden Signals ein­ stellbar ist (rechteck-, trapez-, sinusförmig).

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das pulsierende Signal von einer Schaltlogik unabhängig von dem für das Magnetventil vorgesehenen Ansteuerverstärker aufschaltbar ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das pulsierende Signal auf die Magnet­ spule von Regel- und Schaltventilen zur Wege- oder Drucksteuerung aufschaltbar ist.