DE3704845C2 - Elektrohydraulisches Servoventil mit elektrischem Zusatzantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Servoventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrohydraulische Servoventile sind in großer Anzahl bekannt. Sie werden häufig zweistufig und seltener dreistufig ausgeführt. Im allgemeinen besteht dabei die Vorsteuerstufe aus einem Torque-Motor, der mit einem Düsen-Prallplat­ ten-Verstärker zusammenarbeitet. Der in der Vorsteuerstufe verstärkte, dem Eingangssignal proportionale Steuerölstrom bewirkt dann die Verstellung des Kolbens oder Schiebers in einer Hauptstufe, die dann ihrerseits unter weiterer Verstärkung wiederum einen dem Steuerölstrom und damit auch dem Eingangssignal proportionalen Arbeitsölstrom liefert. Der tatsächliche Wert - der Ist-Wert - dieses Arbeitsölstroms wird in der Regel indirekt über eine mechanische Größe, wie beispielsweise die Kolbenbewegung, gemessen und in der Form eines elektrischen Signals in einen Regler gegeben. Bei diesem bekannten elektrohydraulischen Servoventil wird somit eine Vorsteuerstufe benötigt, was zwar zu einer guten Empfindlichkeit führt, aber ständig einen hohen hydraulischen Steuerölstrom und damit Verluste zur Folge hat.

Es sind bereits Servoventile bekannt, bei denen ein Elektro­ motor direkt auf den Kolben eines Ventils, insbesondere eines Wegeventils, einwirkt. Beispielsweise ist an der Welle des Motors eine Kurbel oder ein Exzenter vorgesehen, der direkt auf den Kolbens einwirkt. Wenn bei einem solchen Servoventil der Ventilkolben hängenbleibt, so muß der Elektromotor in der Lage sein, eine Kraft zu erzeugen, die groß genug ist, um dieses Hängenbleiben zu überwinden. Oftmals erfolgt das Hängenbleiben deshalb, weil ein Span in die Steuerkanten des Ventils gerät. Dieser Span muß abgedrückt werden, damit der Ventilkolben seine Bewegung wieder aufnehmen kann. Man kann daher die von dem Motor zum Lösen des Hängenbleibens aufzubringende Kraft als Spanscherkraft bezeichnen. Damit ein solcher Motor in der Lage ist die Spanscherkraft aufzubringen muß er sehr groß sein. Dies ist nachteilig, insbesondere auch deshalb weil der Motor infolge seiner Größe träge wird.

Wegen der hohen geforderten Spanscherkraft ist ein großer Motor erforderlich. Allerdings erlaubt ein solcher Motor infolge seiner großen Masse nur niedrige Beschleunigungswerte Hohe Beschleunigungswerte sind aber erwünscht, um ein schnelles Ansprechen sicherzustellen.

Die DE 32 47 953 C2 schreibt ein elektrisch betätigtes Hydraulik- Proportionalventil. Die DE 32 46 298 A1 beschreibt eine Sicher­ heitsvorrichtung zum Rückstellen bzw. Umschalten einem in einer Schaltstellung hängengebliebenen Kolbens eines Ventils. Die DE 22 32 566 C2 beschreibt eine hydraulische Wegeventil-Einheit mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen in der Hydrau­ likflüssigkeit. Die DE 31 37 419 A1 schließlich beschreibt ein proportional arbeitendes Ventil für fluidische Medien mit einem dem Grundsignal überlagerten amplitudengeregelten Zittersignal.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein elektrohydraulisches Servoventil vorzusehen, bei dem eine optimale Dynamik sowie bestmöglicher Frequenzgang erreicht wird. Ferner soll das erfindungsgemäße Servoventil ein geringes Bauvolumen sowie ein geringes Gewicht besitzen und eine erhöhte Funktionssicherheit gewährleisten. Das erfindungsgemäße Servoventil bzw. der erfindungsgemäße Stellmotor sollen in der Lage sein die direkte Betätigung des Ventilkolbens des Servoventils zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem elektrohydraulischen Servoventil einen Elektromotor (Hauptelektromotor) und einen vorzugsweise elektrischen Zusatzantrieb (Zusatzmotor) vor.

Der Hauptelektromotor ist dabei derart ausgelegt, daß er den bestmöglichen Frequenzgang liefert, aber nicht in der Lage ist, die erforderliche hohe Spanscherkraft zu liefern. Der elektrische Zusatzantrieb ist vorzugsweise ebenfalls ein Elektromotor (Zusatzmotor), kann aber auch beispielsweise ein Drehmagnet sein. Der elektrische Zusatzantrieb ist derart ausgelegt, daß er die erforderliche Spanscherkraft liefern kann. Erfindungsgemäß wird er nur dann eingeschaltet, wenn der Einsatz der Spanscherkraft tatsächlich erforderlich ist. Schaltungsmittel sind vorgesehen, um festzustellen, wann die Spanscherkraft erforderlich ist, um daraufhin den Zusatz­ antrieb zu aktivieren.

Vorzugsweise ist sowohl der Hauptmotor wie auch der Zusatz­ motor verhältnismäßig klein ausgelegt, insbesondere sind beide als Stabanker-Gleichstrommotore vorgesehen.

Vorzugsweise sind Hauptmotor und Zusatzmotor koaxial ange­ ordnet. Mit der Motorwelle des Hauptmotors ist ferner ein Winkelgeber verbunden, der die Winkelstellung der Motorwelle und damit die Position des Ventilkolbens mit hoher Genauigkeit mißt. Der Zusatzmotor ist im Normalbetrieb nicht mit dem Hauptmotor und auch nicht mit dessen Motorwelle gekuppelt. Eine Drehfeder legt die Stellung des Zusatzmotors in seiner Mittellage fest. Der Hauptmotor bzw. die Welle des Hauptmotors und der Zusatzmotor haben je einen einander um 180° gegenüberliegenden Anschlag. Dadurch steht beim Einschalten des Zusatzmotors ein maximaler Weg zur Verfügung, um eine möglichst große Impulskraft auf die Motorwelle im Falle des Hängenbleibens des Ventilkolbens zu übertragen.

Es sei hier erwähnt, daß beim konventionellen Servoventil mit nur einem Motor dieser im Falle des Hängenbleibens leicht überlastet werden kann, da der Regler versuchen wird, den Motor weiter zu verstellen.

Hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung sei auf die Ansprüche verwiesen.

In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Servoventils dargestellt ist.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes elektrohydraulisches Servoventil 1 weist einen Stellmotor 2 auf, der zur direkten Betätigung eines Ventils 3, insbesondere eines Wegeventils, dient. Die direkte Betätigung des Ventils 3 erfolgt über eine Motorwelle 20, die an ihrem einen Ende eine Kurbel oder einen Exzenter 28 trägt, der direkt auf den Ventilkolben 39 des Ventils 3 einwirkt. In der Figur ist zwischen der Kurbel 28 und dem Ventilkolben 39 ein Zwischenelement 44 in der Form eines Stifts vorgesehen. Nachdem keinerlei Spiel zwischen Kurbel 28, Stift 44 und Kolben 39 auftritt, kann auch diese Anordnung als "direkte" Betätigung bezeichnet werden. Es ist aber auch möglich, daß die Kurbel 28 "völlig" direkt auf den Kolben 39 einwirkt.

In das elektrohydraulische Servoventil 1 wird über eine elektrische Leitung 5 der Soll-Wert Esoll als Eingangsgröße für den Drehwinkel eingespeist. Die Ausgangsgröße tritt in der Form eines Drehwinkels auf. Diesem proportional ist der Weg des Kolbens 39.

Der erwähnte Soll-Wert Esoll wird in einen Regler 10 eingegeben und dort mit einem vom Stellmotor 2 über die elektrische Leitung 12 zugeführten Ist-Wert Eist verglichen und zu einem Regelsignal Re verarbeitet. Das Regelsignal Re wird über eine elektrische Leitung 11 in den Stellmotor 2 eingespeist, um diesen entsprechend dem Wert Re zu verstellen.

Der Stellmotor 2 weist zum Antrieb der Welle 20 einen Hauptmotor 21 auf, der entsprechend dem Regelsignal Re eine Verdrehung der Welle 20 bewirkt. Die Welle 20 ist in Lagern 23 gelagert und trägt an ihrem einen Ende einen Winkelgeber 24, der den bereits erwähnten Ist-Wert Eist über Leitung 12 liefert. Der Winkelgeber 24 mißt wegen der Untersetzung des Exzenters die Position des Ventilkolbens 39 mit hoher Genauigkeit.

Der Hauptmotor 21 ist so ausgelegt, daß er nur eine solche Kraft liefern muß, die erforderlich ist, um die Verstellung des Ventilkolbens 39 im Normalbetrieb zugewährleisten. Der Hauptmotor 21 ist nicht dazu in der Lage, eine so hohe Kraft zu liefern, daß bei hängengebliebenem Ventilkolben dieser wieder gelöst werden kann. Wie bereits erwähnt, kann bei­ spielsweise ein Span in die Steuerkanten des Ventils 3 geraten und zu einem Hängenbleiben führen. Dieser Span muß dann durch eine hinreichend hohe Kraft abgedrückt werden, damit der Betrieb fortgesetzt werden kann. Die dazu erforderliche hohe Kraft wird als Spanscherkraft bezeichnet. Diese Spanscherkraft muß vom Hauptmotor gemäß der Erfindung nicht aufgebracht werden.

Demgemäß kann der Hauptmotor 21 gemäß den Forderungen nach bestmöglichem Frequenzgang ausgelegt werden, so daß sich als Hauptmotor insgesamt ein optimierter und damit kleiner Motor ergibt.

Zum Aufbringen der erwähnten Spanscherkraft ist ein zweiter (kleiner) mit dem Hauptmotor nicht gekuppelter Motor, nämlich ein Zusatzmotor 22 vorgesehen. Dieser Zusatzmotor 22 ist vorzugsweise koaxial zur Motorwelle 20 des Hauptmotors 21 angeordnet und kann dann, wenn die Spanscherkraft erforderlich ist, diese auf den Hauptmotor bzw. dessen Welle 20 übertragen.

Hauptmotor 21 bzw. dessen Motorwelle 20 und Zusatzmotor 22 haben je einen einander um 180° gegenüberliegenden Anschlag 25 bzw. 26. Im Normalbetrieb ist der Zusatzmotor 22 nicht erregt. Der Zusatzmotor 22 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß der Anschlag 26 des Zusatzmotors nach einem Drehwinkel größer 120° (abhängig vom Ort, an dem der Ventilkolben 39 und Motor hängengeblieben sind) gegen den Anschlag des Hauptmotors bzw. dessen Welle 20 schlägt. Der Zusatzmotor 22 läuft bei Erregung zunächst fast eine halbe Umdrehung frei (holt praktisch Schwung) und schlägt dann gegen den Anschlag 25 (praktisch wie ein Hammer). Durch diese "Impulsübersetzung" kann man verhältnismäßig große Kräfte aufbauen, so daß der Ventilkolben wieder frei kommt. Während des Normalbetriebs des Servoventils befindet sich der Zusatzmotor in einer durch Drehfeder 45 (ähnlich der Unruhe einer mechanischen Uhr) federzentrierten Mittelstellung.

Erfindungsgemaß ist ferner eine Zusatzmotorsteuerung 31 vorgesehen, die den Einsatz des Zusatzmotors 22 steuert. Die Zusatzmotorsteuerung 31 ermittelt beispielsweise aufgrund der über die elektrischen Leitungen 32, 33 und 34 zugeführten Signale, nämlich des Soll-Werts Esoll, des Ist-Werts Eist und der Regelgröße Re, wann ein Zustand des Hängenbleibens auftritt. Wenn ein solcher Zustand festgestellt wird, so wird über die elektrische Leitung 35 der Zusatzmotor erregt. Dieser setzt sich dann in Bewegung und der Anschlag 26 des Zusatzmotors schlägt - wie bereits erwähnt - an den Anschlag 25 der Welle 20. Die Zusatzmotorsteuerung 31 stellt also eine Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert fest und-gibt dem Zusatzmotor den Befehl in der einen oder anderen jeweils erforderlichen Richtung zu starten.

Die Steuerung 31 soll so ausgebildet sein, daß der Motor 22 immer dann, wenn nach dem ersten Impuls da Hängen nicht beseitigt wurde, weitere Impulse folgen.

Sowohl der Hauptmotor 21 wie auch der Zusatzmotor 22 sind vorzugsweise in der Form von Stabankermotoren ausgebildet. Solche Motoren haben ein kleines Trägheitsmoment und sie können sehr schnell beschleunigen.

Durch die Verwendung von zwei Motoren anstelle eines großen Motors ergibt sich eine wesentlich bessere Dynamik und auch ein kleineres Bauvolumen als bei einem einzigen Motor. Ebenso ist das Gewicht der beiden Motoren geringer als bei Verwendung eines einzigen Motors. Eine Überlastung der Wicklung des Hauptmotors ist praktisch ausgeschlossen.

Anstelle eines Zusatzmotors kann ganz allgemein ein vorzugsweise elektrischer Zusatzantrieb verwendet werden. Vorzugsweise kommt auch ein Drehmagnet in Frage. Ein Drehmagnet wie auch ein Zusatzmotor haben den zusätzlichen Vorteil bei auf den Stellmotor ausgeübten Beschleunigungen aus beliebigen Richtungen keine Beeinflussung zu erfahren.

Claims (6)

1. Elektrohydraulisches Servoventil (1), bei dem folgendes vorgesehen ist:
ein Stellmotor (2), der durch einen Regler (10) abhängig von dem Wert eines Eingangs-Sollsignals (Esoll) einstellbar ist und seine Bewegung direkt auf den Ventilkolben (39) eines hydraulischen Ventils (3) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (2) neben einem Hauptmotor (21) einen elektrischen Zusatzantrieb (22) aufweist, der im Falle des Hängenbleibens des Ventilkolbens eingeschaltet wird und den Ventilkolben (39) löst.

2. Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzantrieb (22) ein Elektromotor oder ein Drehmagnet ist.

3. Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzmotorsteuerung (31) vorgesehen ist, die den Zustand des Hängenbleibens ermittelt und den Zusatzantrieb (22) erregt.

4. Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptmotor (21) und der Zusatzantrieb (22) koaxial angeordnet sind.

5. Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzantrieb (22) nicht mit der Welle (20) des Hauptmotors (21) gekuppelt ist und von einer Drehfeder (45) in der Mittellage festgelegt ist.

6. Servoventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzantrieb (22) einen Anschlag (26) aufweist und über diesen einen Impuls auf die Welle (20) des Hauptmotors (21) überträgt.