DE3711961A1

DE3711961A1 - Proportional valve system as well as use of a ball control valve as proportional valve

Info

Publication number: DE3711961A1
Application number: DE19873711961
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Ing Bartholomaeus; Rolf Dr Ing Neuhaus; Konrad Schreier
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1987-04-09
Publication date: 1988-10-20

Abstract

Proportional valve system comprising a valve having an exciting coil, an in particular pulse-duration-modulated chopper amplifier connected to the exciting coil, and a regulating unit controlled by the valve and actuated by pressure medium. In this arrangement, the valve is a directional control valve with a spring-loaded ball element, and the ball element, when the excitation current is applied, works against a spring causing the spring loading. A choice of terminal assignment of the valve is provided. On account of the different pulse-pause ratio, the valve more or less opens and lets through a corresponding volume of pressure medium so that the integration of the output signal of the regulating unit does not take place in the valve but in the connected regulating unit.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Proportionalventil-System mit einem eine Erregerspule aufweisenden Ventil sowie einem Chopperverstärker zur Ansteuerung der Erregerspule. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Wegeschaltventil, insbesondere ein 3/2-Wegeschaltventil mit einem federbelasteten Kugelelement.The present invention relates to a Proportional valve system with an excitation coil having valve and a chopper amplifier for Control of the excitation coil. The invention relates also on a directional control valve, in particular a 3/2-way switching valve with a spring-loaded ball element.

Proportional-Wegeventile, kurz gesagt Proportionalventile, haben bekanntlich grundsätzlich die gleiche Funktion wie Servoventile, die in erster Linie für Regelaufgaben in einem Regelkreis eingesetzt werden, während ein Proportionalventil für Steueraufgaben eingesetzt wird. Proportionalventile können die Durchführung komplexer Steuerungsvorgänge ermöglichen. Bei Proportionalventilen verhält sich die Ausgangsgröße des Ventils (z.B. der Durchflußstrom) proportional zu einem elektrischen Eingangssignal-Strom (Steuerstrom i).As is generally known, proportional directional valves, in short proportional valves, basically have the same function as servo valves, which are primarily used for control tasks in a control loop, while a proportional valve is used for control tasks. Proportional valves can allow complex control operations to be performed. In the case of proportional valves, the output variable of the valve (e.g. the flow rate) is proportional to an electrical input signal current (control current i ).

Verschiedene Druckmedien können durch ein Proportionalventil gesteuert werden, und zwar insbesondere Hydrauliköl und Luft. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Proportional ventil-System, welches sowohl für Öl wie auch für Luft verwendet werden kann. Insbesondere bezieht sich aber die Erfindung auf ein Proportinalventil-System zur Verwendung bei Luft.Different pressure media can be controlled by a proportional valve are controlled, in particular hydraulic oil and air. The present invention relates to a proportional valve system, which is suitable for both oil and air can be used. In particular, the Invention on a proportional valve system for use with Air.

Obwohl Proportionalventile in ihrer Herstellung kosten günstiger als Servoventile sind, so sind die üblicherweise in Proportionalventilen verwendeten Bauteile doch außerordentlich kostspielig. Dieser Kostennachteil wird inbesondere auf Gebieten mit starker Konkurrenz entscheidend. Dies ist beispielsweise im Automobilbau der Fall. Die vorliegende Erfindung strebt ganz allgemein eine Kostenverbesserung auf dem Gebiet der Proportionalventile an, insbesondere aber auf dem Gebiet der Proportionalventile für den Automobilbau. Speziell soll das Proportionalventil im Rahmen des Fahrzeugantriebs und insbesondere zusammen mit einer Turboladerverstellung Verwendung finden.Although proportional valves cost in their manufacture are cheaper than servo valves, so they are usually in Proportional valves used components extremely expensive. This cost disadvantage is particularly due to Areas with strong competition are crucial. This is for example in the automotive industry. The present Invention generally seeks to improve costs in the field of proportional valves, but especially on the field of proportional valves for the automotive industry. In particular, the proportional valve should be within the Vehicle drive and in particular together with a Find turbocharger adjustment.

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein Kugelschaltventil, insbesondere ein 3/2-Wegeschaltventil, mit einem Kugelelement als ein Proportionalventil eingesetzt werden kann. Um ein solches Kugelventil, wie es bereits in dem deutschen Patent ... (deutsche Patentanmeldung P 35 37 435.7 der Anmelderin) beschrieben ist, als Proportionalventil verwenden bzw. in einem Proportionalventil-System einsetzen zu können, wird ein an sich bekannter pulsdauermodulierter Chopperverstärker mit konstanter Chopperfrequenz vorgesehen, der die Erregerspule des Kugelschaltventils in einem wohldosierten Verhältnis zwischen Tastgrad und Chopperfrequenz, vorzugsweise bei einer konstanten Chopperfrequenz und einem dosierbaren Testgrad, ansteuert, so daß sich eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Steuerstrom i und der bzw. den Ausgangsgrößen des Ventils, beispielsweise dem Druck in Zylinderkammern, ergibt.The present invention is based on the knowledge that a ball switching valve, in particular a 3/2-way switching valve, with a ball element can be used as a proportional valve. In order to use such a ball valve, as already described in the German patent ... (German patent application P 35 37 435.7 by the applicant), as a proportional valve or in a proportional valve system, a pulse duration modulated chopper amplifier is known constant chopper frequency is provided, which controls the excitation coil of the ball switching valve in a well-metered ratio between duty cycle and chopper frequency, preferably at a constant chopper frequency and a metered test level, so that there is a linear dependency between the control current i and the output variable (s) of the valve, for example the pressure in cylinder chambers.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird für ein bestimmtes Kugelschaltventil bzw. ein dieses Kugelschaltventil verwendenden Proportionalventil-System eine bestimmte Chopperfrequenz ermittelt, die dann konstant gehalten wird. Bei dieser Chopperfrequenz ist das Kugelelement in der Lage, zwischen zwei Ventilsitzen hin und her zu pendeln. Insbesondere dann, wenn das Druckmedium Luft ist (die üblicherweise Wasser enthält), wird eine vorzügliche Reinigung gegenüber Eisbildung erreicht, da das hin- und herschwingende Kugelelement entstehendes Eis beseitigt.According to a preferred embodiment of the invention, for a specific ball switching valve or this one Proportional valve system using a ball switching valve determined chopper frequency, which is then constant is held. At this chopper frequency is the spherical element able to toggle between two valve seats commute. Especially when the pressure medium is air (the usually contains water), will be an excellent cleaning against ice formation, because the oscillating back and forth Spherical element eliminating ice.

Durch die erfindungsgemäße Veränderung des Tastgrades (Pulsdauerverhältnisses) wird der Steuerstrom i eingestellt und damit die Ausgangsgröße des Proportionalventils bzw. des Proportionalventilsystems in der gewünschten Weise verändert.By changing the duty cycle (pulse duration ratio) according to the invention, the control current i is set and thus the output variable of the proportional valve or the proportional valve system is changed in the desired manner.

Dadurch daß man den Kugelsitz im Gehäuse mit einer Kugel (von beispielsweise 7,2 mm Durchmesser ca. 0,2 mm tief) einprägt, erreicht man eine optimale Dichtheit und eine beträchtliche Lebensdauer.The fact that the ball seat in the housing with a ball (from 7.2 mm diameter, for example, approx. 0.2 mm deep), one achieves an optimal tightness and a considerable one Lifespan.

Aus Gründen der Schalldämmung und auch aus Gründen der Dauerfestigkeit ist es zweckmäßig, die Dichtsitze (Kunststoffplättchen) aus Delrin oder Perbunan/Viton (Warenzeichen) herzustellen.For the sake of sound insulation and also for the sake of Fatigue strength is advisable for the sealing seats (Plastic plate) made of Delrin or Perbunan / Viton (Trademark).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.Further preferred configurations of the invention result from the claims.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:Further advantages, aims and details of the invention result itself from the description of exemplary embodiments on the basis of the Drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines 3/2-Wegeventil mit einem Kugelelement (Kugelschaltventil), verwendbar gemäß der Erfindung als ein Proportionalventil; Fig. 1 a longitudinal section of a 3/2-way valve with a ball member (ball switching valve), useful according to the invention as a proportional valve;

Fig. 2 ein erstes erfindungsgemäßen Proportional ventil-Schaltbeispiel unter Verwendung eines Kugelschaltventils der Fig. 1; Fig. 2 shows a first proportional valve switching example according to the invention using a ball switching valve of Fig. 1;

Fig. 3 das Schaltsymbol für das Ventil gemäß Fig. 2; Fig. 3 is a circuit symbol for the valve of FIG. 2;

Fig. 4 eine Kennlinie für das Ventil der Fig. 2; Fig. 4 is a characteristic curve for the valve of Fig. 2;

Fig. 5 ein zweites Proportionalventil-Schaltbeispiel unter Verwendung eines Kugelschaltventils der Fig. 1; Fig. 5 shows a second proportional valve switching example using a ball switching valve of Fig. 1;

Fig. 6 das 2/2-Wege-Symbol für das Ventil gemäß Fig. 5; Fig. 6, the 2/2-way symbol for the valve of FIG. 5;

Fig. 7 die mit dem Ventil der Fig. 5 erreichtbare Kennlinie; Fig. 7 is the 5 erreichtbare characteristic with the valve of Fig.

Fig. 8 ein drittes Schaltbeispiel unter Verwendung eines Kugelschaltventils der Fig. 1; Fig. 8 shows a third switching example using a ball switching valve of Fig. 1;

Fig. 9 das Symbol für das 3/2-Kugelventil der Fig. 8; Fig. 9 shows the symbol for the 3/2-ball valve of Fig. 8;

Fig. 10 ein viertes Schaltbeispiel unter Verwendung des Kugelschaltventils der Fig. 1; FIG. 10 shows a fourth switching example using the ball switching valve of FIG. 1;

Fig. 11 das Symbol des 3/2-Wegeventils der Fig. 10; Fig. 11, the symbol of the 3/2-way valve of Fig. 10;

Fig. 12 schematisch den Prüfaufbau für Messungen am Kugelschaltventil der Fig. 1, wobei das Druckmedium Öl ist; . Fig. 12 shows the test set-up for measurements on the ball-off valve of Figure 1, wherein the print medium is schematically oil;

Fig. 13 den Prüfaufbau für Messungen am Kugelschaltventil der Fig. 1, wobei das Druckmedium Luft ist; Fig. 13 shows the test set-up for measurements on the ball-off valve of Figure 1, wherein the pressure medium is air.

Fig. 14 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Proportionalventil-Systems; FIG. 14 is a schematic illustration of the proportional valve system of the invention;

Fig. 15 das Ansteuersignal U _E für einen Chopperverstärker, der im Proportionalventilsystem gemäß Fig. 14 verwendet wird;15 shows the control signal U _E for a chopper amplifier which is used in the proportional valve system of Fig. 14.;

Fig. 16 ein Ausführungsbeispiel des allgemein in Fig. 14 gezeigten Proportionalventil-Systems, wobei die vom Proportionalventil betätigte Stelleinheit ein Druckluftzylinder ist; FIG. 16 is an exemplary embodiment of the proportional valve system generally shown in Fig 14, wherein the proportional valve is actuated by the actuator is a pneumatic cylinder.

Fig. 17 den vom Steuerstrom i abhängigen Druckverlauf an den Anschlüssen A und B in Fig. 16; FIG. 17 shows the pressure curve at ports A and B in FIG. 16, which is dependent on control current i ;

Fig. 18 das Schaltsymbol des in Fig. 16 gezeigten Ventils ohne den Zylinder. Fig. 18 shows the circuit symbol of the valve shown in Fig. 16 without the cylinder.

overview

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das im folgenden anhand der Fig. 1 beschriebene 3/2-Kugelschalt ventil 1 als ein Proportionalventil verwendet werden kann. Der große Vorteil einer solchen Verwendung besteht wie bereits erwähnt darin, daß das Kugelschaltventil 1 wesentlich preiswerter baut als ein Proportionalventil, da der Anker nur ein einfaches federbelastetes Kugelelement 9 ist. Erfindungsgemäß ist es also möglich, ein einfaches Schaltventil 1, welches an sich keine Proportionalcharakteristik hat, bei Luft und Öl in der noch näher zu beschreibenden Weise zu betreiben, so daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem gemittelten Steuerstrom i und den Drücken A und/oder B (vergleiche Fig. 4, 7, 17) herstellen läßt.The present invention is based on the knowledge that the 3/2-ball switching valve 1 described below with reference to FIG. 1 can be used as a proportional valve. The great advantage of such a use, as already mentioned, is that the ball switching valve 1 is much cheaper than a proportional valve, since the armature is only a simple spring-loaded ball element 9 . According to the invention it is therefore possible to operate a simple switching valve 1 , which has no proportional characteristic per se, with air and oil in the manner to be described in greater detail, so that there is a linear relationship between the average control current i and the pressures A and / or B (see Fig. 4, 7, 17) can be produced.

Description of exemplary embodiments

Anhand der Fig. 1 sei das im Längsschnitt dargestellte 3/2-Kugelschaltventil 1 erläutert. Ein Ventil dieser Art ist bereits in Fig. 4 des deutschen Patents (deutsche Patentanmeldung P 35 37 435.7 der Anmelderin) beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht. Eine Kopie dieser Anmeldung liegt deshalb hier bei.The 3/2 ball control valve 1 shown in longitudinal section will be explained with reference to FIG. 1. A valve of this type has already been described in Fig. 4 of the German patent (German patent application P 35 37 435.7 by the applicant). The disclosure content of this patent application is also made the subject of the present application. A copy of this application is therefore included here.

Das Kugelschaltventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, welches durch einen Deckel 3 abgeschlossen ist. Ein erster und ein zweiter Anschluß 4 und 5 sind im Gehäuse 2 ausgebildet. Ein dritter Anschluß 6 ist im Deckel ausgebildet. Das Gehäuse 2 bildet eine Ausnehmung 8, in der ein Kugelelement 9 hin und her bewegbar angeordnet ist. In einer Bohrung 10 des Gehäuses 2 sitzt eine Erregerspule 11, die gegenüber einer quer zur Längsachse 13 des Ventils verlaufenden Querfläche durch eine Dichtung 12 abgedichtet ist. In einer Innenbohrung 17 der Erregerspule 11 verläuft ein Polstück 18, das durch eine Dichtung 19 gegenüber der Innenbohrung 17 abgedichtet ist. Eine Längsbohrung 19 durchsetzt das Polstück 18 und verbindet den Anschluß 6 mit einem ersten Ventilsitz 20, der im konkreten Fall durch ein am Polstück befestigte Kunststoffplättchen 21 gebildet ist. Diametral bezüglich des ersten Ventilsitzes 20 ist im Gehäuse 2, und zwar am Boden der Ausnehmung 8, ein zweiter Ventilsitz 22 gebildet, der im konkreten Fall ebenfalls durch ein im Gehäuse 2 befestigtes Kunststoffplättchen 23 gebildet wird. Eine Bohrung 24 im Gehäuse 2 verbindet den Anschluß 5 mit dem Ventilsitz 22.The ball switching valve 1 has a valve housing 2 , which is closed by a cover 3 . A first and a second connection 4 and 5 are formed in the housing 2 . A third connection 6 is formed in the cover. The housing 2 forms a recess 8 in which a spherical element 9 is arranged such that it can move back and forth. An excitation coil 11 is seated in a bore 10 of the housing 2 and is sealed by a seal 12 with respect to a transverse surface running transverse to the longitudinal axis 13 of the valve. A pole piece 18 runs in an inner bore 17 of the excitation coil 11 and is sealed against the inner bore 17 by a seal 19 . A longitudinal bore 19 passes through the pole piece 18 and connects the connection 6 to a first valve seat 20 , which in the specific case is formed by a plastic plate 21 attached to the pole piece. Diametrically with respect to the first valve seat 20 , a second valve seat 22 is formed in the housing 2 , specifically at the bottom of the recess 8 , which in the specific case is also formed by a plastic plate 23 fastened in the housing 2 . A bore 24 in the housing 2 connects the connection 5 to the valve seat 22 .

Im Ruhezustand des Kugelventils 1, d.h. bei nicht erregter Spule 11, drückt eine Feder 25 über einen Haltering 26 das Kugelelement 9 gegen den Sitz 22 und schließt die dort endende Bohrung 19. In dieser Ruhestellung kann dann ein Druckmedium, beispielsweise Öl oder Luft - und zwar vorzugsweise Luft - vom Anschluß 4 über die Axialbohrung 27 zu einem Raum 28 laufen, der den ersten Sitz 21 umgibt. Es wird somit die Verbindung zwischen dem Anschluß 4 und dem Anschluß 6 hergestellt.In the idle state of the ball valve 1 , ie when the coil 11 is not energized, a spring 25 presses the ball element 9 against the seat 22 via a retaining ring 26 and closes the bore 19 ending there. In this rest position, a pressure medium, for example oil or air - and preferably air - can then run from the connection 4 via the axial bore 27 to a space 28 which surrounds the first seat 21 . The connection between the connection 4 and the connection 6 is thus established.

Das den Magnetanker bildende magnetisierbare Kugelelement 9 ist mit einer nichtmagnetischen Schicht beschichtet. Die beiden Kunststoffplättchen 21 und 23 können beispielweise aus Delrin (Warenzeichen) hergestellt sein. Ferner sei bemerkt, daß im gezeigten Ausführungsbeispiel das Kugelventil 1 als Einsteckventil ausgebildet ist, wobei Dichtungen 29 und 30 vorgesehen sind.The magnetizable spherical element 9 forming the magnet armature is coated with a non-magnetic layer. The two plastic plates 21 and 23 can for example be made of Delrin (trademark). Furthermore, it should be noted that in the exemplary embodiment shown, the ball valve 1 is designed as a plug-in valve, seals 29 and 30 being provided.

In den Fig. 2 bis 4 ist ein erstes Proportionalventil-Schalt beispiel gezeigt, wie es beispielsweise für den Luft- oder Öleinsatz in Frage kommt. Der Ausgang 6 an der Feder und der seitliche Ausgang 4 sind miteinander zu T (Tank) verbunden. Der an der der Feder entgegengesetzten Seite liegende Anschluß 5 ist mit A (Verbraucher) verbunden und mit einer Vordrossel 31 nach P (Pumpe) verschaltet. Bei der entsprechenden erfindungsgemäßen, noch näher zu erläuternden Chopperfrequenz ansteuerung ergibt sich dann die in Fig. 4 dargestellte, mit steigendem Steuerstrom abfallende Druckkennlinie in bezug auf A. Aufgebaut ist das 3/2-Wegeventil 1 hier nur als reines 2/2-Wegeventil mit Vordüse.In Figs. 2 through 4, a first proportional valve switching is shown, for example, as it comes, for example, the air or oil application in question. The outlet 6 on the spring and the side outlet 4 are connected to each other to form T (tank). The connection 5 on the opposite side of the spring is connected to A (consumer) and connected to a pre-throttle 31 to P (pump). In the case of the corresponding chopper frequency control according to the invention, which will be explained in more detail below, the pressure characteristic curve shown in FIG. 4, which decreases with increasing control current, then results in relation to A. The 3/2-way valve 1 is constructed here only as a pure 2/2-way valve with pre-nozzle.

In den Fig. 5 bis 7 ist ein zweites Schaltbeispiel der Erfindung dargestellt, welches praktisch eine Umkehrung des ersten Schaltbeispiels ist. Wiederum ist das 3/2-Wegekugelschaltventil 1 als ein 2/2-Wegeventil mit Vordüse 31 dargestellt. Hier jedoch befindet sich die Vordüse 31 an der federbelasteten Seite des Ventils. Dies bedeutet, es ergibt sich eine steigende Druckkennlinie mit steigendem Steuerstrom i bei entsprechender Einstellung der Chopper frequenz und des Tastgrades. Auch das Anwendungsbeispiel 2 ist für Öl und auch für Luft gedacht.In Figs. 5 to 7 a second switching example of the invention is shown, which is practically an inversion of the first switching example. Again, the 3/2-way ball switching valve 1 is shown as a 2/2-way valve with pre-nozzle 31 . Here, however, the pre-nozzle 31 is located on the spring-loaded side of the valve. This means that there is an increasing pressure characteristic with increasing control current i with appropriate setting of the chopper frequency and the duty cycle. Application example 2 is also intended for oil and also for air.

Fig. 8 und 9 beziehen sich auf ein drittes und die Fig. 10 und 11 auf ein viertes Schaltbeispiel. Im dritten wie auch im vierten Schaltbeispiel sind die 3/2-Wegeschaltventile 1 als echte 3/2-Wegeventile verschaltet, und zwar mit den Anschlüssen P, A und T. Bei der Schaltung 3 gemäß den Fig. 8 und 9 ist der T-Anschluß federseitig, bei der vierten Schaltung gemäß den Fig. 10 und 11 ist der P-Anschluß federseitig. Dies bedeutet, daß im Fall der Fig. 8 im stromlosen Zustand A nach T geöffnet ist, während im Fall der Fig. 10 im stromlosen Zustand von P nach A geöffnet ist. Dies ist für die verschiedenen Sicherheitsschaltungen in Kombination mit einem Zylinder wesentlich, und auf Einzelheiten wird weiter unten eingegangen. Auch die beiden Schaltungen gemäß den Fig. 8 und 10 sind für Luft und Öl gedacht. FIGS. 8 and 9 relate to a third and Figs. 10 and 11 of a fourth switching example. In the third as well as in the fourth switching example, the 3/2-way switching valves 1 are connected as real 3/2-way valves, with the connections P , A and T. In the circuit 3 according to FIGS. 8 and 9, the T- connection is spring-side, in the fourth circuit according to FIGS . 10 and 11 the P- connection is spring-side. This means that in the case of FIG. 8 in the de-energized state A is open to T , while in the case of FIG. 10 is open in the de-energized state from P to A. This is essential for the various safety circuits in combination with a cylinder, and details are discussed below. The two circuits according to FIGS. 8 and 10 are also intended for air and oil.

Die Funktionsweise des Kugelschaltventils 1 ist dem Fachmann aufgrund der bisherigen Beschreibung klar. Im stromlosen Zustand oder im Ruhezustand des Ventils 1 drückt die Feder 25 die Kugel 9 auf den zweiten Sitz 22 und der zugehörige Anschluß 5 wird dementsprechend verschlossen. Wird nun ein Steuerstrom i in die Erregerspule 11 gegeben, so zieht der Magnetkreis die Kugel 9 entgegen der Kraft der Feder 25 an und verschließt den ersten Sitz 20 und somit den zugehörigen Anschluß 6. Dies bedeutet also im Fall des Beispiels 3 (Fig. 8 und 9), daß im stromlosen Zustand das Ventil von P nach A geschlossen ist und von A nach T geöffnet ist. Unter Strom ist das Ventil 1 gemäß dem dritten Beispiel von T nach A geschlossen und von P nach A auf.The functioning of the ball switching valve 1 is clear to the person skilled in the art on the basis of the previous description. In the de-energized state or in the idle state of the valve 1 , the spring 25 presses the ball 9 onto the second seat 22 and the associated connection 5 is closed accordingly. If a control current i is now introduced into the excitation coil 11 , the magnetic circuit pulls the ball 9 against the force of the spring 25 and closes the first seat 20 and thus the associated connection 6 . In the case of example 3 ( FIGS. 8 and 9), this means that in the de-energized state the valve is closed from P to A and is open from A to T. According to the third example, valve 1 is closed from T to A and from P to A when it is live.

Zur erfindungsgemäßen Funktionsweise des Ventils 1 sei noch bemerkt, daß erfindungsgemäß die gewünschten Kennlinienverläufe nicht dadurch erreicht werden, daß die Kugel 9 in einer bestimmten Stellung gehalten wird. Vielmehr läßt man erfindungsgemäß die Kugel praktisch wie ein Flapper bei einem Düsenprallsystem zwischen den Sitzen 20, 22 hin- und herschwingen. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Selbstreinigung der Ventilsitze und des ganzen Ventils 1. Durch die im Sitzbereich eingelegte Kunststoffscheibe (Plättchen) 21 bzw. 23 wird das Sitzprellen, das Aufschlagen der Kugel 9 beim Einsatz in Luft sowie das Einschlagen des Sitzes und eine zu laute Lärmbelästigung verhindert.Regarding the functioning of the valve 1 according to the invention, it should also be noted that, according to the invention, the desired characteristic curves are not achieved in that the ball 9 is held in a certain position. Rather, according to the invention, the ball is made to swing back and forth between the seats 20 , 22 practically like a flapper in a nozzle impact system. This results in considerable self-cleaning of the valve seats and the entire valve 1 . The plastic disc (plate) 21 or 23 inserted in the seat area prevents the seat from bouncing, the impact of the ball 9 when it is used in air, as well as the impact of the seat and excessive noise pollution.

Aufgrund des unterschiedlichen Pulspausenverhältnisses öffnet das Ventil mehr oder minder und läßt eine entsprechende Menge des Mediums durch. Die Integration des Ausgangssignals findet also nicht im Ventil (wie bei Proportionalventilen), sondern im angeschlossenen Stellelement statt.Due to the different pulse pause ratio opens the valve more or less and leaves a corresponding amount of the medium. The integration of the output signal takes place not in the valve (as with proportional valves), but instead in the connected control element.

The test setup and the chopper amplifier

In Fig. 12 ist der Prüfaufbau für ein Kugelventil 1 gemäß Fig. 1 dargestellt. Das Druckmedium war im gezeigten Falle Öl. Zwei Messungen wurden vorgenommen, und zwar einmal die Messung von P nach A und ferner eine Messung von A nach T. In Fig. 12 ist die Pumpe mit 33 bezeichnet. Im übrigen sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Zusätzlich ist noch die Ansteuerleitung 34 angedeutet, die den Steuerstrom i der Erregerspule 11 zuführt. Eine Druckmeßdose 35 stellt die Druckdifferenz zwischen P und A bzw. zwischen A und T fest und liefert ein entsprechendes Signal zur Weiterverarbeitung für die Ansteuerung des in Fig. 12 weggelassenen Chopperverstärkers. FIG. 12 shows the test setup for a ball valve 1 according to FIG. 1. The pressure medium was oil in the case shown. Two measurements were made, one from P to A and one from A to T. In Fig. 12 the pump is designated 33 . Otherwise, the same reference numerals are used as in Fig. 1. In addition, the control line 34 is also indicated, which supplies the control current i to the excitation coil 11 . A pressure transducer 35 determines the pressure difference between P and A or between A and T and supplies a corresponding signal for further processing for the control of the chopper amplifier omitted in FIG. 12.

Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Chopperverstärkers 35, wie er auch bei Fig. 12 an die Ansteuerleitungen 34 angeschaltet sein kann. Fig. 13 zeigt das erfindungsgemäße Kugelventil 1 unter Verwendung von Luft als Druckmedium. Die Druckluft kommt von einer Druckluftquelle P _o und wird über zwei Düsen 36 und 37 dem Ventil 1 zugeführt. Ähnlich wie bei Fig. 12 ist auch hier wieder ein Druckgeber (Druckmeßdose) 135 vorgesehen. FIG. 13 shows a schematic illustration of a chopper amplifier 35 , as can also be connected to the control lines 34 in FIG. 12. Fig. 13 shows the ball valve 1 according to the invention using air as the pressure medium. The compressed air comes from a compressed air source P _o and is supplied to valve 1 via two nozzles 36 and 37 . Similar to FIG. 12, a pressure transmitter 135 is also provided here.

The proportional valve system 100 according to the invention

Anhand der Fig. 14 und 15 ist das erfindungsgemäße Proportionalventil-System 100 allgemein zusammen mit einer Stelleinheit 42 gezeigt. Weiter unten werden konkrete Beispiele für die Stelleinheit erläutert, und zwar wird in Fig. 16 ein Zylinder als Stelleinheit dargestellt und der Fall der Druckregelung daran anschließend erwähnt.Referring to Figs. 14 and 15, the proportional valve according to the invention system 100 is shown generally along with an adjusting unit 42. Concrete examples of the actuating unit are explained below, specifically a cylinder is shown as an actuating unit in FIG. 16 and the case of the pressure control is subsequently mentioned.

Das Blockschaltbild der Fig. 14 zeigt zunächst schematisch das 3/2-Wege-Kugelschaltventil 1 mit dem Kugelelement 9 der Feder 25 und der Erregerspule 11. Das Kugelschaltventil 1 ist über Druckmedium-Verbindungsmittel 40 mit der Stelleinheit 42 verbunden. Die Stelleinheit 42 hat ein bestimmtes Belastungsvolumen 43. Ferner hat das Ventil 1 bestimmte Anschlußquerschnitte 44, 45 und 46. Über eine elektrische Signalleitung 48 kann die Stelleinheit 42 ein die Stellgröße repräsentierendes Signal U _ist an einen Verknüpfungspunkt 50 liefern, an den ferner über Leitung 51 ein Signal U _soll geliefert wird, welches die gewünschte Stellgröße repräsentiert. Zwischen dem Verknüpfungspunkt 50 und der Erregerspule 11 liegt ein sogenannter Chopperverstärker 52, der an sich bekannt ist und beispielsweise in der Druckschrift RD 29 XXX/5.86 der Firma Mannesmann Rexroth unter dem Titel "Elektrischer Verstärker ENV-E100-3" beschrieben ist.The block diagram of FIG. 14 first shows schematically the 3/2-way ball switching valve 1 with the ball member 9 of the spring 25 and the excitation coil 11. The ball switching valve 1 is connected to the actuating unit 42 via pressure medium connecting means 40 . The actuating unit 42 has a specific load volume 43 . Furthermore, the valve 1 has certain connection cross sections 44 , 45 and 46 . Via an electrical signal line 48 , the actuating unit 42 can deliver a signal U _ist representing the manipulated variable to a connection point 50 , to which a signal U _soll , which represents the desired manipulated variable, _{is also} supplied via line 51 . Between the connection point 50 and the excitation coil 11 there is a so-called chopper amplifier 52 , which is known per se and is described, for example, in the publication RE 29 XXX / 5.86 from Mannesmann Rexroth under the title "Electrical amplifier ENV-E100-3".

Der Chopperverstärker 52 ist ein Proportionalverstärker in Choppertechnik und dient zur Ansteuerung der Erregerspule 11 über Leitungsmittel 53, die aus einer Leitung 54 und einer Leitung 55 bestehen.The chopper amplifier 52 is a proportional amplifier using chopper technology and is used to control the excitation coil 11 via line means 53 , which consist of a line 54 and a line 55 .

Das vom Verknüpfungspunkt 50 kommende Spannungssignal wird durch eine Schaltung 56 in ein Ansteuersignal UE umgewandelt. Das Ansteuersignal U _E ist schematisch in Fig. 15 gezeigt. Es kann unterschiedliche Tastgrade besitzen, die von 0% bis 65% veranschaulicht sind. Die Periode ist mit T bezeichnet und ist konstant. Die Chopperfrequenz f _chopper kann verstellt werden und wird für jedes bestimmte Ventil je nach dessen Größe und Bauart auf einen bestimmten und dann konstanten Frequenzwert festgelegt. Durch die Veränderung des Tastgrades kann dann der der Erregerspule 25 zugeführte Steuerstrom i verändert werden.The voltage signal coming from node 50 is converted by a circuit 56 into a control signal UE . The control signal U _E is shown schematically in FIG. 15. It can have different duty cycles, which are illustrated from 0% to 65%. The period is labeled T and is constant. The chopper frequency f _chopper can be adjusted and is set to a specific and then constant frequency value for each specific valve, depending on its size and design. The control current i supplied to the excitation coil 25 can then be changed by changing the duty cycle.

Die Komponenten des Chopperverstärkers 52 sind noch durch den Verknüpfungspunkt 57 sowie durch zwei weitere Bauteile 58, 59 und 60 veranschaulicht. Der Chopperverstärker 52 als solcher ist - wie bereits erwähnt - an sich bereits bekannt. Für die vorliegende Erfindung ist es wesentlich, daß für ein bestimmtes Kugelschaltventil die Chopperfrequenz f _chopper auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Es hat sich herausgestellt, daß für ein Ventil 1 gemäß Fig. 1 eine Chopperfrequenz im Bereich von ca. 30 bis 50 Hertz einzustellen ist. Dabei ist zu erwähnen, daß das Ventil 1 in Fig. 1 etwa im Maßstab 5 : 1 dargestellt ist. Als Druckmedium wird dabei vorzugsweise Luft verwendet.The components of the chopper amplifier 52 are also illustrated by the connection point 57 and by two further components 58 , 59 and 60 . As already mentioned, the chopper amplifier 52 as such is already known per se. It is essential for the present invention that the chopper frequency f _{chopper is set} to a specific value for a specific ball switching _valve . It has been found that a chopper frequency in the range of approximately 30 to 50 hertz is to be set for a valve 1 according to FIG. 1. It should be mentioned that the valve 1 is shown in Fig. 1 on a scale of 5: 1. Air is preferably used as the pressure medium.

Durch die Veränderung des Tastgrades ist es dann möglich, den Steuerstrom i zu verändern und so die Arbeitsweise des Ventils zu beeinflussen, wie dies beispielsweise in der noch zu erwähnenden Fig. 17 dargestellt ist.By changing the duty cycle, it is then possible to change the control current i and thus influence the operation of the valve, as is shown, for example, in FIG. 17, which is still to be mentioned.

Die einzustellende Chopperfrequenz kann der Fachmann aufgrund von Versuchen ohne weiteres ermitteln. Im einzelnen wird die Chopperfrequenz abhängen von der Kugelmasse, der Elastizitätskonstanten der Feder 25, den Zu- und Abflußquerschnitten 44, 45, 46 des Ventils 1, den Sitzquerschnitten und auch vom Volumen des Druckmediums, insbesondere dem Luftvolumen in der Stelleinheit 42. Einen wesentlichen Einfluß auf die Chopperfrequenz hat auch die Induktivität der Erregerspule 11.The person skilled in the art can easily determine the chopper frequency to be set on the basis of experiments. In particular, the chopper frequency will depend on the ball mass, the elasticity constant of the spring 25 , the inflow and outflow cross sections 44 , 45 , 46 of the valve 1 , the seat cross sections and also on the volume of the pressure medium, in particular the air volume in the actuating unit 42 . The inductance of the excitation coil 11 also has a significant influence on the chopper frequency.

Bei einem üblichen Proportionalventil wird angestrebt, durch den Steuerstrom i den Kolben auf eine bestimmte Position zu verschieben, um die gewünschten Druck- oder Mengenverhältnisse zu erhalten. Dabei führt der Kolben womöglich geringfügige Bewegungen um die gewünschte Einstellposition herum aus. Versuche in dieser Richtung schlugen bei Kugelventilen stets fehl. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem Kugelventil eine Mengen- oder Drucksteuerung dadurch erreicht werden kann, daß man nicht versucht, ähnlich einem Kolben (eines herkömmlichen Proportionalventils) das Kugelelement 9 in eine bestimmte Position zu bringen. Vielmehr sieht die Erfindung ein volles Ausschwingen des Kugelelements vor, und zwar mit einer durch den Chopperverstärker 52 eingestellten Frequenz, die dem Kugelventil 1 und auch der vom Kugelelement 1 betätigten Stelleinheit 42 angepaßt ist. Das Kugelelement 9 kann somit praktisch voll zwischen den beiden Sitzen 21 und 22 hin- und herschwingen, wobei durch die Veränderung des Tastgrades das erwünschte Proportionalverhalten, wie es beispielsweise in Fig. 17 gezeigt ist, erhalten wird.In the case of a conventional proportional valve, the aim is to move the piston to a specific position by means of the control current i in order to obtain the desired pressure or quantity ratios. The piston may make slight movements around the desired setting position. Attempts in this direction always failed with ball valves. The present invention is based on the knowledge that, in the case of a ball valve, quantity or pressure control can be achieved by not trying to bring the ball element 9 into a specific position, similar to a piston (of a conventional proportional valve). Rather, the invention provides for a full swinging out of the ball element, specifically with a frequency set by the chopper amplifier 52 , which is adapted to the ball valve 1 and also to the actuating unit 42 actuated by the ball element 1 . The ball element 9 can thus swing practically fully back and forth between the two seats 21 and 22 , the desired proportional behavior being obtained, for example, as shown in FIG. 17, by changing the duty cycle.

In Fig. 16 ist das erfindungsgemäße Kugelventil 1 zu einer Zylinderansteuerung verschaltet, d.h. die Stelleinheit (Stellelement) 42 in der allgemeinen Darstellung gemäß Fig. 14 wird durch eine Zylinderanordnung 61 gebildet. Hinsichtlich der in Fig. 16 verwendeten Bezugszeichen sei weitgehend auf die vorausgegangenen Figuren verwiesen. Die Zylinderanordnung 61 jedenfalls weist einen Zylinder 62 auf, in dem ein Kolben 63 hin und her bewegbar angeordnet ist. Der Kolben 63 bildet zwei Zylinderkammern 64 und 65, die über Zulaufdrosseln 66 bzw. 67 von Pumpe 33 und Tank 68 versorgt werden. Das Druckmedium kann Öl oder Luft sein. Vorzugsweise ist das Druckmedium Luft. Die Zulaufdrosseln 66, 67 haben im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von vorzugsweise 1 mm. Fig. 17 zeigt den Druckverlauf abhängig vom Steuerstrom i, und zwar am Verbraucher A und B. Fig. 18 ist die symbolische Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 16, wobei die Zylinderanordnung 61 nicht dargestellt ist.In Fig. 16 the ball valve 1 according to the invention is connected to a control cylinder, that is, the setting unit 42 (actuator) in the general representation of FIG. 14 is formed by a cylinder assembly 61. With regard to the reference symbols used in FIG. 16, reference is largely made to the preceding figures. In any case, the cylinder arrangement 61 has a cylinder 62 , in which a piston 63 is arranged such that it can be moved back and forth. Piston 63 forms two cylinder chambers 64 and 65 , which are supplied by pump 33 and tank 68 via inlet throttles 66 and 67 , respectively. The pressure medium can be oil or air. The pressure medium is preferably air. In the exemplary embodiment shown, the inlet throttles 66 , 67 have a diameter of preferably 1 mm. Fig. 17 shows the pressure curve depending on the control current i , namely at consumer A and B. FIG. 18 is the symbolic representation of the arrangement according to FIG. 16, the cylinder arrangement 61 not being shown.

Bei der Ventil/Zylinderanordnung gemäß Fig. 16 wird das Kugelventil 1 als 3/2-Wegeventil eingesetzt. Der Versorgungsdruck der Pumpe wirkt dabei auf die beiden Zylinderkammern 64, 65 und zwar über die wichtigen Zulaufdrosseln 66, 67.In the valve / cylinder arrangement according to FIG. 16, the ball valve 1 is used as a 3/2-way valve. The supply pressure of the pump acts on the two cylinder chambers 64 , 65 via the important inlet throttles 66 , 67 .

Im Betrieb werden die Ablaßkanten über das 3/2-Kugelwegeventil nach T hin jeweils geöffnet. Das Kugelelement 9 wirkt dabei praktisch wie ein Flapper bei einem Düsenprallsystem, d.h. bildet die Prallplatte selber. Steht die Kugel 9 rechts am Ventilsitz 20, so steigt natürlich der Druck in B an. Steht die Kugel links am Sitz 22, so steigt der Druck in A an. Wenn dies bei kontinuierlicher Anderung des Tastgrads und bei fester Chopperfrequenz geschieht, so läßt sich ohne weiteres, wie durch die in Fig. 17 gezeigte Meßkurve dargestellt, eine gute lineare Abhängigkeit zwischen Steuerstrom i und dem Druck A und B in den Zylinderkammern 64, 65 realisieren.During operation, the drain edges are opened towards T via the 3/2-way ball valve. The ball element 9 acts practically like a flapper in a nozzle impact system, ie it forms the impact plate itself. If the ball 9 is on the right on the valve seat 20 , the pressure in B naturally increases. If the ball is on the left of seat 22 , the pressure in A increases . If this occurs with a continuous change in the duty cycle and with a fixed chopper frequency, a good linear dependency between the control current i and the pressure A and B in the cylinder chambers 64 , 65 can easily be realized, as shown by the measurement curve shown in FIG. 17 .

Bislang wurde ein Proportionalventil-System 100 mit einer als Zylinder ausgebildeten Stelleinheit erläutert. Es sei hier darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Proportionalventil-System auch ganz allgemein zur Druckregelung verwendet werden kann. Auch im Falle der Druckregelung wird das Kugelventil 1 in einem wohldosierten Verhältnis zwischen Tastgrad und Chopperfrequenz (siehe oben) betrieben.A proportional valve system 100 with an actuating unit designed as a cylinder has previously been explained. It should be pointed out here that the proportional valve system according to the invention can also be used quite generally for pressure control. Also in the case of pressure control, the ball valve 1 is operated in a well-metered ratio between the duty cycle and the chopper frequency (see above).

Fig. 18 zeigt die Kennlinie für das System der Fig. 16. Fig. 17 ist das Symbol der Schaltung gemäß Fig. 16 aber ohne Zylinderanordnung 61. FIG. 18 shows the characteristic curve for the system of FIG. 16. FIG. 17 is the symbol of the circuit according to FIG. 16 but without cylinder arrangement 61 .

Um die Leckage gering zu halten sind die beiden Kugelsitze 20, 22 im Polstück und im Gehäuse 2 mit einer Prägekugel mit gleichem Durchmesser wie die Ventilkugel beispielsweise 0.2 mm tief eigeprägt. Dies erhöht auch die Lebensdauer des Ventilkugelelements 9.In order to keep the leakage low, the two ball seats 20 , 22 in the pole piece and in the housing 2 are stamped with a stamping ball with the same diameter as the valve ball, for example 0.2 mm deep. This also increases the service life of the valve ball element 9 .

Versuche zeigten, daß das Ventil 1 gemäß Fig. 1 im Bereich von 0 bis 2,7 bar einwandfrei als Proportionalventil arbeitet.Experiments showed that the valve 1 according to FIG. 1 works perfectly as a proportional valve in the range from 0 to 2.7 bar.

Claims

1. Proportional valve system ( 100 ) with a valve ( 1 ) having an excitation coil ( 11 ), a pulse duration modulated chopper amplifier ( 52 ) connected to the excitation coil ( 11 ) and a pressure medium-actuated actuating unit ( 42 , 61 ) controlled by the valve ( 1 ) ), the valve being a directional control valve ( 1 ) with a spring-loaded ball element ( 9 ) and the ball element ( 9 ) working against a spring causing the spring load when the excitation current is applied, the connection assignment of the valve being optionally provided, and due to a different pulse pause ratio Valve ( 1 ) opens more or less and a corresponding amount of the pressure medium passes, so that the integration of the output signal of the actuating unit does not take place in the valve ( 1 ), but in the connected actuating unit ( 42 , 61 ).

2. Proportional valve system ( 100 ) with a valve having an excitation coil ( 11 ), a pulse duration modulated chopper amplifier ( 52 ) connected to the excitation coil ( 11 ) and a pressure medium-actuated actuating unit ( 42 , 61 ) controlled by the valve ( 1 ), characterized in that that the valve is a directional control valve ( 1 ) with a spring-loaded ball element ( 9 ) (ball switching valve), and that the ball works against the spring when the excitation current occurs, the connection assignment of the valve being optional.

3. System according to claim 1, characterized in that the ball switching valve is a 3/2-way switching valve ( 9 ).

4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the ball-off valve (9) is driven with an adapted fixed chopper frequency (f chopper), wherein the modulation of the valve is done by varying the duty ratio.

5. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the chopper frequency for a particular ball switching valve ( 9 ) is set constant.

6. System according to one or more of the preceding Claims, characterized in that a liquid or gaseous medium, but especially air, is used.

7. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the chopper frequency is set depending on the load volume (ie the air volume in the actuating unit 42 ) and the line cross section to the volume.

8. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the chopper frequency depending on the mass of the ball element ( 9 ) of the spring constant the spring ( 25 ), the inflow and outflow cross sections ( 44 , 45 , 46 ), the seat cross sections, as well as the inductance of the excitation coil ( 11 ) is set.

9. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the ball element ( 9 ) between two ball seats ( 20 , 22 ) is arranged to move back and forth, and that the ball seat ( 22 ) in the housing ( 2 ) with a ball or is stamped on a cone.

10. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that one or both ball seats ( 20 , 22 ) are formed by plastic plates ( 21 , 22 ), preferably made of Delrin, Perbunan, EPDM, Viton (trademark).

11. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the ball element ( 9 ) is biased by a spring ( 25 ) in a closed position.

12. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that a double-acting cylinder can be controlled after the ballast according to FIG. 16.

13. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that a pressure modulation according to FIGS. 2 to 4 "falling", according to FIGS. 5 to 7 "rising" can take place.

14. System according to one or more of the preceding claims, characterized in that the ball valve ( 1 ) is connected to a cylinder control, using a cylinder arrangement ( 61 ) which a cylinder ( 62 ) and a piston ( 63 ) out- and arranged movably in the cylinder ( 62 ), and wherein the piston ( 63 ) also forms two cylinder chambers ( 64 , 65 ) which can be connected to the pump ( 33 ) and tank ( 68 ) via inlet throttles ( 66 , 67 ), the Ball element ( 9 ) of the ball valve ( 1 ) practically acts like a flapper in a nozzle baffle plate system.

15. Use of a ball switching valve, especially after one or more of the preceding claims, as Proportional valve.