DE3824205A1 - Elektrohydraulisches regelwegeventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrohydraulischen Regelwegeven­ til nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein solches elektrohydraulisches Regelwegeventil aus der DE-OS 28 40 831 bekannt, das als 4Wege-4Stellungsventil ausge­ bildet ist und dessen Steuerschieber von einem einzigen Proportio­ nalmagneten gegen die Kraft einer Feder über den gesamten Hubbe­ reich verstellbar ist. Der Hubbereich setzt sich dabei zusammen aus einem über drei Arbeitsstellungen sich erstreckenden Regelbereich und aus einer an diesen Regelbereich angrenzenden Sicherheitsstel­ lung, die auch als Fail-safe-Stellung bezeichnet wird. Dieses Re­ gelwegeventil bildet die Vorsteuerstufe für eine als Stellmotor dienende Hauptstufe, wobei zur Ansteuerung des Regelwegeventils ein elektronisches Steuergerät dient, zu dem eine zweifache Lagerück­ führung von der Hauptstufe und von der Vorsteuerstufe erfolgt. Solche Proportionalventile mit zweifacher Lagerückführung werden dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Genauigkeit, die Dy­ namik und die Sicherheit der Regelung zu erfüllen sind. Aus den vom Wegaufnehmer am Regelwegeventil rückgeführten Signalen über die An­ kerlage kann dabei im elektronischen Steuergerät ermittelt werden, ob sich der Steuerschieber der Vorsteuerstufe innerhalb des Regel­ bereichs befindet oder seine Sicherheitsstellung einnimmt. Es kann nun von Nachteil sein, daß für diese Erkennungsfunktion am Regel­ wegeventil ein gesonderter Wegaufnehmer und eine zugehörige Lage­ rückführung notwendig sind, wodurch der Aufwand hinsichtlich Kosten und Raumbedarf erhöht wird.

Ferner ist eine elektro-hydraulische Vorschubsteuerung bekannt, bei der ein 4/4-Regelwegeventil mit einem zugeordneten Stellmotor in ei­ nem geschlossenen Lageregelkreis liegt, in dem sowohl die Lage des Stellmotors als auch diejenige des Steuerschiebers im Regelwegeven­ til zu einem elektronischen Steuergerät rückgeführt werden. Auch hier wird die Fail-safe-Position aus der Lagerückführung des Magnet­ ankers am Regelwegeventil abgeleitet, so daß der Aufwand für die zweifache Lagerückführung relativ hoch ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektrohydraulische Regelwegeventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß unter weitgehender Beibehaltung bisheriger Funktionen wie Genauigkeit und Dynamik, die Sicherheitsstellung am Regelwege­ ventil auch dann erkennbar ist, wenn der sonst übliche Wegaufnehmer und die zugehörige Lagerückführung von dessen Steuerschieber bzw. Magnetanker weggelassen wird. Dazu sind lediglich relativ einfache, konstruktive Mittel im Regelwegeventil erforderlich. Die hierfür er­ forderliche zusätzliche Feder kann ohne zusätzlichen Raumbedarf im bisherigen Federraum des Regelwegeventils untergebracht werden. Auch im elektronischen Steuergerät sind hierfür nur geringfügige Änderun­ gen notwendig. Das Erkennen der Sicherheitsfunktion läßt sich mit Hilfe von einfachen, kostengünstigen Maßnahmen realisieren, so daß durch die Einsparung eines bisher üblichen, vollständigen Wegaufneh­ mers mit Rückführung ein erheblicher Vorteil hinsichtlich Kosten und Raumbedarf erzielbar ist. Die zusätzliche, parallelgeschaltete Feder verursacht in der Kennlinie des Magnetstroms abhängig vom Hub des Steuerschiebers einen Kraftsprung am Übergang von Sicherheitsstel­ lung in den Regelbereich, aus dem durch Vergleich mit einem Grenz­ stromwert das elektronische Steuergerät auf einfache und kostengün­ stige Weise feststellen kann, ob sich der Steuerschieber im Regel­ bereich oder in der Sicherheitsstellung befindet. Am Regelwegeven­ til auftretende Toleranzfelder lassen sich dabei ohne weiteres be­ rücksichtigen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektrohydraulischen Regelwegeventils möglich. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Re­ gelwegeventil,

Fig. 2 das Regelwegeventil nach Fig. 1 in verein­ fachter Darstellung in einem geschlossenen Regelkreis,

Fig. 3 ei­ ne Kennlinie des Regelwegeventils nach Fig. 1, welche den Verlauf der Magnetkraft F in Abhängigkeit vom Magnethub s darstellt,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Regelwegeventil nach Fig. 1 in vergrö­ ßertem Maßstab mit dem Steuerschieber in seiner Sicherheitsstellung und in Fig. 5 am Übergang von Sicherheitsstellung in den Regelbe­ reich.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt ein Regelwegeventil 10, das als 4Wege-4Stellungs­ ventil ausgeführt ist und dessen grundsätzlicher Aufbau und Funktion an sich bekannt sind, z. B. aus der DE-PS 28 40 831, so daß auf des­ sen Bauweise nur soweit eingegangen wird, als zum Verständnis der Erfindung notwendig ist.

Das Regelwegeventil 10 nimmt in einem Gehäuse 11 einen längsbeweg­ lichen Steuerschieber 12 auf, der von einem Anker 13 eines einfach­ wirkenden Proportionalmagneten 14 gegen die Kraft einer ersten Feder 15 über den gesamten Hubbereich verstellbar ist. Die in einem Feder­ raum 16 angeordnete erste Feder 15 stützt sich dabei an einem ge­ häusefesten Bauteil, einem Deckel 17 sowie an einer Stirnseite 18 des Steuerschiebers 12 ab. Im Federraum 16 ist koaxial zur ersten Feder 15 eine zweite Feder 19 angeordnet, die zur ersten Feder 15 parallelgeschaltet ist. Die zweite Feder 19 stützt sich einerseits am Deckel 17 und andererseits über einen Federteller 21 an einem ge­ häusefesten Absatz 22 ab, wie dies aus den Teilschnitten nach Fig. 4 und 5 in vergrößertem Maßstab deutlicher zu erkennen ist.

Der Steuerschieber 12 weist ferner einen der Stirnseite 18 zugewand­ ten Bund 23 auf, der in einer federzentrierten Sicherheitsstellung 24, wie sie in Fig. 2 und in Fig. 4 dargestellt sind, im Abstand von dem Federteller 21 liegt.

Wie die Fig. 2 besonders deutlich zeigt, kann der Steuerschieber 12 durch den Proportionalmagneten 14 aus dieser federzentrierten Sicherheitsstellung 24 heraus in einen Regelbereich 25 ausgelenkt werden, wobei sich dieser Regelbereich 25 aus einer ersten Arbeits­ stellung 26, einer Mittelstellung 27 sowie einer zweiten Arbeits­ stellung 28 erstreckt. Das Regelwegeventil 10 stellt in diesen Ar­ beitsstellungen 26 bis 28 die aufgezeigten Druckmittelverbindungen her, um den an ihm angeschlossenen hydraulischen Stellmotor 29 in an sich bekannter Weise so zu steuern, daß dessen Stellglied 31 in bei­ den Richtungen steuerbar und hydraulisch in jeder Lage feststellbar ist. Die jeweilige Lage des Stellgliedes 31 wird von einem elektro­ mechanischen Wegaufnehmer 32 abgegriffen und als Lageistwert einem elektronischen Steuergerät 33 eingegeben, dem zusätzlich auch das Sollwertsignal 34 zugeführt wird. Dem elektronischen Steuergerät 33 wird ferner an einem Eingang 35 ein Grenzwert für den Magnetstrom vorgegeben, während das Ausgangssignal des elektronischen Steuerge­ räts 32 dem elektrischen Eingang 36 des Proportionalmagneten 14 zu­ geführt wird.

Regelwegeventil 10 und Stellmotor 29 liegen somit in einem geschlos­ senen Regelkreis 37, der lediglich mit einer Lagerückführung vom Stellmotor arbeitet, während ein Wegaufnehmer mit Lagerückführung am Regelwegeventil 10 selbst entfällt.

Die Wirkungsweise des Regelwegeventils 10 wird wie folgt erläutert, wobei auch auf die Fig. 3 Bezug genommen wird, deren Kennlinie 38 den Verlauf der Magnetkraft F in Abhängigkeit vom Magnethub s des Proportionalmagneten 14 zeigt. Da beim Proportionalmagneten 14 die Magnetkraft F im wesentlichen proportional ist zum Magnetstrom I, gilt diese Kennlinie 38 auch für diese Größe. Im übrigen wird die prinzipielle hydraulische Steuerfunktion solcher Regelwegeventile als an sich bekannt vorausgesetzt.

Bei nicht erregtem Proportionalmagneten 14 wird der Steuerschieber 12 allein von der ersten Feder 15 in die Sicherheitsstellung 24 ge­ drückt, während sich die stärkere, parallelgeschaltete, zweite Fe­ der 19 über ihren Federteller 21 an dem gehäusefesten Absatz 22 ab­ stützt und somit keinen Einfluß auf den Steuerschieber 12 ausübt. Diese Sicherheitsstellung 24 ist in Fig. 1, Fig. 2 und vergrößert im Detail in Fig. 4 dargestellt, wobei der Bund 23 am Steuerschie­ ber 12 im Abstand vom Federteller 21 liegt. Diese Sicherheitsstel­ lung 24 ist in Fig. 3 durch einen Abschnitt 39 der Kennlinie 38 definiert, wobei der Proportionalmagnet 14 entweder nicht erregt ist oder der Magnetstrom an seinem Eingang 36 so klein ist, daß er un­ terhalb dem am Eingang 35 des elektronischen Steuergeräts 33 einge­ gebenen Grenzwert 41 für den Magnetstrom I liegt. Der Verlauf des Abschnitts 39 der Kennlinie 38 wird dabei durch die relativ schwache, erste Feder 15 bestimmt.

Bei ansteigendem Magnetstrom erreicht schließlich der Steuerschieber 12 den in Fig. 3 dargestellten Hubwert 42, wobei sich der Bund 23 des Steuerschiebers 12 an dem Federteller 21 anlegt, wie dies in Fi­ gur 5 dargestellt ist. In dieser Hubstellung 42, also am Übergang von Sicherheitsstellung 24 in den Regelbereich 25 muß nun der Pro­ portionalmagnet 14 durch einen sprunghaft erhöhten Magnetstrom ei­ nen Kraftsprung 43 überwinden, bevor der Steuerschieber 12 gegen die Kräfte beider Federn 15 und 19 weiter ausgelenkt wird und dabei ge­ mäß dem zweiten Abschnitt 44 der Kennlinie 38 innerhalb der drei Ar­ beitsstellungen 26 bis 28 verstellt werden kann.

Beim Regelwegeventil 10 ist es somit ohne eine spezielle Lagerück­ führung vom Proportionalmagneten 14 bzw. dem zugeordneten Steuer­ schieber 12 möglich, daß der Übergang vom Regelbereich 25 zum Fail-safe-Bereich 24 erkannt und gesteuert wird, indem hierzu der in diesem Übergang sprungförmig verlaufende Magnetstrom zum Proportio­ nalmagneten 14 benutzt wird. Dies läßt sich erreichen, indem der Be­ reich unterhalb des Stromgrenzwertes 41 als Sicherheits-Bereich de­ finiert wird. Die Größe des Kraftsprunges 43 wird dabei so groß ge­ wählt, daß selbst bei Einbeziehung der durch Bauteiltoleranzen auf­ tretenden Toleranzfelder 45 im Kennlinienverlauf sichergestellt ist, daß bis zum Grenzstromwert 41 der Regelbereich 25 nicht verlassen wird und das Regelventil 12 den geforderten Durchfluß noch erreicht. Die Kennlinie 38 in Fig. 3 ist zugleich auch ein Abbild der Regel­ federkennlinie, wobei durch den Kraftsprung 43 ein Bereich geschaf­ fen wird, in welchem der Magnetstrom zum Proportionalmagnet 14 in gewissen Grenzen verändert werden kann, ohne daß dies einen Einfluß auf die Stellung des Steuerschiebers 12 hätte.

Mit vorliegendem Regelwegeventil 10 lassen sich die Anforderungen an derartige Proportionalventile hinsichtlich statischer Genauigkeit und Dynamik eines Regelventils weitgehend erfüllen, wobei eine Ab­ grenzung des Regelbereichs 25 von einem Fail-safe-Bereich 24 allein über den Magnetstrom möglich ist, so daß ein relativ aufwendiger, teuerer Wegsensor mit zugehöriger Lagerückführung am Proportionalma­ gnet 14 entfallen kann, wodurch das Regelwegeventil 10 kostengünsti­ ger und platzsparender baut.

Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Bauart möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann das Regelwege­ ventil 10 in einer einstufigen, zwei- oder mehrstufigen Bauweise verwendet werden. Ferner läßt sich anstelle des doppeltwirkenden Stellmotors 29 auch ein einfachwirkender Motor ansteuern. Der Stell­ motor 29 im geschlossenen Regelkreis 37 kann dabei in beliebiger Weise als Antrieb verwendet werden, sei es als Hauptstufe in einem zweistufigen Ventil, als Zylinder in einer Pumpenverstellung, als Vorschubantrieb oder in anderer geeigneter Weise. Auch kann der Steuerschieber 12 in der Sicherheitsstellung 24 anstelle der ge­ zeichneten Schaltverbindungen andere Fluidverbindungen aufweisen.

Claims (5)

1. Elektrohydraulisches Regelwegeventil zur Steuerung eines hydrau­ lischen Stellmotors mit einem in einem Gehäuse angeordneten Steuer­ schieber, der von einem einzigen Proportionalmagneten gegen die Kraft einer Feder über seinen Hubbereich verstellbar ist, der neben einem mehrere Arbeitsstellungen aufweisenden Regelbereich eine daran angrenzende Sicherheitsstellung aufweist, in die der Steuerschieber bei Ausfall der Ansteuerung von der Feder verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerschieber (12) eine zur ersten Feder (15) parallel geschaltete, zweite Feder (19) zugeordnet ist, die mit dem Steuerschieber (12) in dessen Regelbereich (25) in Wirkverbin­ dung steht und die in einer die Magnetkraft (F) bzw. den Magnetstrom (I) abhängig vom Hub (s) des Steuerschiebers (12) darstellenden Kennlinie (38) einen die Sicherheitsstellung (24) vom Regelbereich (25) trennenden Sprung (43) erzeugt.

2. Regelwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß des­ sen Proportionalmagnet (14) von einem elektrischen bzw. elektro­ nischen Steuergerät (33) angesteuert wird, dem ein Magnetstrom- Grenzwert (41) eingebbar ist, dessen Unterschreiten die Sicherheits­ stellung (24) signalisiert.

3. Regelwegeventil nach Anspruch 1 oder 2, das mit dem Stellmotor in einem geschlossenen Regelkreis liegt, in dem die Lage des Stell­ motors rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis (37) lediglich eine, insbesondere einzige Lagerückführung (32) vom Stellmotor (29) aufweist.

4. Regelwegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Feder (19) im wesentlichen konzentrisch zur ersten Feder (15) angeordnet ist und die erste Feder (15) sich an einem gehäusefesten Bauteil (17) und an einer Stirnfläche (18) des Steuerschiebers (12) abstützt, während die zweite Feder (19) sich am gehäusefesten Bauteil (17) und über einen Federteller (21) an einem gehäusefesten Absatz (22) abstützt, wobei dem Federteller (21) ein Bund (23) am Steuerschieber (12) zugeord­ net ist, der in Sicherheitsstellung (24) im Abstand von ihm und am Übergang zum Regelbereich (25) an ihm anliegt.

5. Regelwegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sprung (43) der Magnetstrom-Hub-Kennlinie (38) so groß gewählt ist, daß unter Berücksichtigung der Toleranzein­ flüsse (45) ein Bereich verbleibt, in dem Stromänderungen keinen Einfluß auf die Steuerschieberstellung haben.