DE3925686A1 - Einrichtung zur stetigen beeinflussung eines fluidstromes, insbesondere in einem ventil - Google Patents
Einrichtung zur stetigen beeinflussung eines fluidstromes, insbesondere in einem ventilInfo
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- G05D16/2097—Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with combination of electric and non-electric auxiliary power using pistons within the main valve
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur stetigen Beeinflussung
eines Fluidstromes, insbesondere in einem Ventil, nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind Einrichtungen in Form von Proportional-Magnet
ventilen bekannt, deren Kolbenschieber eine bestimmte
Sollage einnehmen soll. Im Betrieb kommt es vor, daß der
Kolbenschieber seine Sollage verläßt, beispielsweise infolge
Druckschwankungen, so daß der gewünschte Sollwert nicht
eingehalten werden kann. Die bekannten Proportional-
Magnetventile haben eine verhältnismäßige hohe Nach
giebigkeit, d.h. sie reagieren erst bei größeren
Änderungen des Sollwerts. Kleinste Änderungen des
Sollwertes werden von ihnen nicht oder nur mit Ver
zögerung erfaßt und entsprechend ausgeregelt. Diese
Magnetventile haben darum eine verhältnismäßig große
Hysterese. Außerdem haben die Proportionalmagnete nur
eine geringe Steifigkeit.
Es sind auch Einrichtungen in Form von Servoventilen bekannt,
deren Ansteuerung elektro-magnetisch mit sogenannten Torque-
Motoren erfolgt. Sie erzeugen nur relativ kleine Stellkräfte,
was eine direkte Ansteuerung von z.B. Kolbenschiebern im
allgemeinen nicht zuläßt. Servoventile sind deshalb meist mit
sogenannten Düsen-Prallplattensystemen als erste Steuerstufe
versehen. Die besondere Verschmutzungsempfindlichkeit dieser
Systeme sowie die des Torque-Motors erzwingen eine sehr
feine Filterung des Fluidmediums. Eine weitere Folge der
geringen Stellkraft ist die geringe Steifigkeit sowie
die Unmöglichkeit zum Bau einstufiger Ventile. Weiterhin
wird in diesen Servoventilen meist eine mechanische Rück
führung zur Lageregelung verwendet. Diese erfordert eine
sehr aufwendige Konstruktion und Fertigung und läßt auch
nicht die einfache Verstell- und Anpaßfähigkeit von
elektronischen Reglern zu.
Es ist auch eine Einrichtung bekannt (DE-OS 32 33 161),
die als Wegeventil ausgebildet ist und Piezoelemente
aufweist, mit denen ein Kolbenschieber des Ventiles
zwischen zwei mechanisch definierten Endpunkten hin- und
hergeschaltet wird. Das Piezoelement hat eine
verhältnismäßig große Hysterese, die sich aber bei einem
solchen Schaltventil nicht nachteilig bemerkbar macht,
weil die geometrische Lage des Kolbenschiebers durch
mechanische Anschläge bestimmt wird. Für eine stetige
gezielte Verstellbarkeit des Kolbenschiebers sind die Piezo
elemente wegen ihrer großen Hysterese nicht geeignet.
Bei der gattungsgemäßen Einrichtung (US-PS 40 61 155) wird
der Stellteil hydraulisch verstellt. Hierzu ist ein Über
setzer oder Wandler vorgesehen, an dessen beiden Ausgängen
eine Druckdifferenz auftritt. Sie ist in der Polarität und
Größe dem aufgebrachten elektrischen Signal proportional.
Die Druckdifferenz wirkt über Kugeln auf die beiden Enden des
Kolbenschiebers, der entsprechend der jeweiligen Druck
differenz aus seiner neutralen Ausgangslage entsprechend ver
schoben wird. Das Hydraulikmedium, das zum Verstellen des
Kolbenschiebers dient, dehnt sich infolge von Temperatur
änderungen aus. Dies bedeutet Änderungen in der Position des
Kolbenschiebers; dadurch ist eine Kompensation dieses Tempe
raturganges erforderlich. Außerdem ist die Zuverlässigkeit
durch Leckverluste gefährdet. Es sind darum aufwendige
Maßnahmen notwendig, um die Leckverluste auszugleichen. Schließ
lich sind die Kompressibilität des Hydraulikmediums weitere
kritische Faktoren.
Es sind schließlich auch Ventile vorgesehen (DE-OS 37 14 337),
bei denen der Stellteil durch ein Piezoelement verstellt wird.
Zwischen dem Stellteil, der als Kolbenschieber ausgebildet
ist, und dem Piezoelement ist wiederum eine hydraulische Über
setzung vorgesehen, welche die geringe Auslenkung des Piezo
elementes in eine größere Auslenkung des Kolbenschiebers
übersetzt. Auch bei diesem Ventil ist die Ausdehnung der
Hydraulikflüssigkeit durch Temperaturänderungen nachteilig.
Ebenso müssen die Leckverluste, die Kompressibilität des
Hydraulikmediums und die Problematik der Lufteinschlüsse
innerhalb des Übersetzungsraumes beachtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs
gemäße Einrichtung so auszubilden, daß kleinste
Änderungen in der Stellgröße der Einrichtung unabhängig von
Temperaturänderungen und ohne die Anwendung konstruktiv auf
wendiger Kompensationsmaßnahmen sofort ausgeglichen werden können,
so daß der jeweils vorgegebene Soll-Wert, z.B. die Sollwertlage
eines Hauptsteuerkolbens, exakt eingehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann das Piezoelement
auf Änderungen der jeweiligen Stellgröße augenblicklich reagieren,
weil es vom Vergleicher sofort das entsprechende Ausgangs
signal erhält. Dadurch wird die Änderung in der Stellgröße
augenblicklich beseitigt. Das Piezoelement in Verbindung mit
dem Regelkreis bildet ein hochdynamisches Stellglied, das ins
besondere für den Einsatz im Proportional- und Servoventil
bereich bei direkt- sowie vorgesteuerten Ventilen geeignet
ist. Infolge der Anordnung des Piezoelementes im Regelkreis
wird das Hystereseverhalten des Piezoelementes nahezu voll
ständig beseitigt. Da das Piezoelement unmittelbar mit dem
Stellteil verbunden ist, also zwischen ihm und dem Stell
teil keine elastischen Zwischenglieder, wie etwa Hydraulik
medium, vorhanden sind, müssen auch keine Maßnahmen getroffen
werden, um beispielsweise die Ausdehnung des Hydraulikmediums
durch Temperaturänderungen oder die Leckverluste des Hydrau
likmediums zu kompensieren. Dadurch kann der Stellteil augen
blicklich und mit höchster Genauigkeit in die jeweils erfor
derliche Lage verstellt werden. Somit sind zum Umschalten
bzw. Verstellen des Stellteiles nur sehr kurze Verstellzeiten
notwendig.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den
Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 im Schnitt ein Ventil einer
erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 in schematischer Darstellung
die erfindungsgemäße Einrichtung,
Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit
der Auslenkung eines Piezoelementes
von der jeweils aufgebrachten Spannung,
Fig. 4 in einem Diagramm die Abhängigkeit
des Istwertes des Auslenkweges des
Piezoelementes vom Spannungssollwert
bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Einrichtung,
Fig. 5 im Schnitt ein Ventil einer zweiten Aus
führungsform einer erfindungsgemäßen Ein
richtung,
Fig. 6 ein Verbindungsteil zwischen einem Kolben
schieber und einem Piezoelement der erfindungs
gemäßen Einrichtung gemäß Fig. 5 in ver
größerter Darstellung.
Die Einrichtung dient zur stetigen Beeinflussung fluidischer
Ströme und zeichnet sich durch eine nahezu unbe
grenzte Einstellempfindlichkeit bei Positionierungen
bei gleichzeitig sehr kurzen Stellzeiten aus. Mit der
Einrichtung lassen sich Positionen von Stellgliedern,
wie beispielsweise Kolbenschiebern von Ventilen,
genau einstellen und praktisch verlustfrei halten.
Im dargestellten und im folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 weist die Einrichtung
ein Vorsteuerventil V auf.
Es hat ein Gehäuse 4, in dem sich eine Steuerbuchse 3
mit Steueröffnungen 19 und 20 befindet. In der Steuer
buchse 3 ist ein Kolbenschieber 2 mit Kolbenteilen 17
und 18 verschiebbar. Mit ihm können die Durchlaßquer
schnitte der Steueröffnungen 19 und 20 verändert werden.
Der Kolbenschieber 2 stützt sich über eine Feder 5 an
einem Gehäuseabschluß 6 ab. Die Feder 5 erzeugt im
Ausführungsbeispiel die notwendige Rückstellkraft für
den Kolbenschieber 2.
Das Gehäuse 4 hat einen mit einem (nicht dargestellten)
Vorratsbehälter verbundenen Anschluß 7, einen mit einer (ebenfalls
nicht dargestellten) Druckmittelquelle verbundenen Anschluß
9 sowie zwei mit (nicht dargestellten) Verbrauchern
verbundene Anschlüsse 8 und 10, die in die Steuer
öffungen 19 und 20 münden. Sie sind Teil von Ring
kanälen 13 und 15. Die Anschlüsse 7 und 9 münden ihrer
seits in weitere Ringkanäle 12 und 14.
Der Kolbenschieber 2 wird von einem elektrisch ansteuer
baren Piezoelement 1 verstellt, das im Ausführungsbeispiel
einen Übertragungsstößel aufweist, mit dem das Piezo
element 1 am Kolbenschieber 2 anliegt. Das Piezoelement
1 bzw. dessen Übertragungsstößel 11 ist axial fluchtend
zum Kolbenschieber 2 angeordnet. Wird das Piezoelement
1 erregt, verschiebt es über den Übertragungsstößel 11
infolge seiner Verformung den Kolbenschieber 2 in der
Steuerbuchse 3 gegen die Kraft der Feder 5. Dadurch
wird der Durchlaßquerschnitt der Steueröffnungen 19
und 20 verändert, wodurch auch der Fluidstrom von
der Druckmittelquelle zum Verbraucher über eine der
Steuerkanten und von diesem Verbraucher zurück über
die andere Steuerkante zum Vorratsbehälter verändert
wird.
Wie sich aus Fig. 2 ergibt, wird mit dem Vorsteuerventil
V ein Hauptsteuerventil 21 gesteuert. Das Vorsteuer
ventil V und das Hauptsteuerventil 21 liegen in einer
Regelschaltung 22. Dem Hauptkolben 23 des Hauptsteuer
ventiles 21 ist ein Wegmeßsystem 24 zugeordnet, mit
dem der Ist-Verschiebeweg des Hauptkolbens 23 er
mittelt wird. Dieses Wegmeßsystem 24 ist an sich
bekannt und soll darum hier nicht näher erläutert
werden. Der vom Wegmeßsystem 24 ermittelte Istwert
wird über eine Ausgangsleitung 25 einem Regler 26
zugeführt, dem außerdem über einen Soll-Wert-Geber
27 ein Sollwert zugeführt wird. Der Regler 26
vergleicht den Istwert des Wegmeßsystems 24 mit
dem Sollwert des Soll-Wert-Gebers 27. Tritt eine
Differenz zwischen beiden Werten auf, wird vom
Regler 26 ein entsprechendes Ausgangssignal er
zeugt, das über einen Verstärker 28 dem Piezo
element 1 zugeführt wird. Dieses Regelsignal wird
in Form einer Spannung dem Piezoelement 1 zuge
führt, das sich entsprechend verformt und den Kolben
schieber 2 im gewünschten Sinne regelt. Durch Erhöhung
der Spannung wird das Piezoelement 1 stärker durchge
bogen, so daß der Kolbenschieber 2 über den Übertragungs
stößel 11 gegen die Kraft der Feder 5 in Fig. 1 weiter
nach links verschoben wird. Umgekehrt kann durch ein
entsprechendes Spannungssignal die Verformung des Piezo
elementes 1 verringert werden, so daß der Kolbenschieber
2 unter der Kraft der Druckfeder 5 in Fig. 1 aus der
jeweiligen Betriebsstellung nach rechts verschoben wird.
In beiden Fällen wird der Hauptkolben 23 so nachgestellt,
daß der vorgegebene Wert aufrechterhalten bleibt.
Das Piezoelement 1 liegt innerhalb des Regelkreises bzw.
der Regelschaltung 22. Das Piezoelement 1 in Verbindung
mit dem Regelkreis 22 erlaubt nun, über einen verhältnis
mäßig großen Verschiebeweg des Kolbenschiebers 2 eine
gewünschte Abhängigkeit zum Öldruck bzw. Förderstrom zu
erreichen.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich die Auslenkung des
Piezoelementes von der jeweils aufgebrachten Spannung
ändert. Die in Fig. 3 eingezeichneten Pfeile deuten
an, daß die eine Kurve beim Hochfahren der Spannung
und die andere Kurve beim Absenken der Spannung er
mittelt worden ist. Deutlich ist die große Hysterese
erkennbar, die das Piezoelement 1 aufweist. Trotz dieser
verhältnismäßig großen Hysterese ist das Piezoelement 1
bei der beschriebenen Einrichtung hervorragend dafür
geeignet, den Hauptkolben 23 des Hauptsteuerventils 21
äußerst exakt in seiner gewünschten Lage zu halten bzw.
Lageveränderungen des Hauptkolbens 23 augenblicklich
auszugleichen.
Dies wird aus Fig. 4 deutlich, in der der Istwert des
Auslenkweges des Piezoelementes 1 in Abhängigkeit vom
Spannungs-Sollwert, bezogen auf den Hauptkolben 23,
dargestellt ist. Diese Kurven sind bei einem vorge
gebenen Druck des Fördermediums aufgenommen worden.
Deutlich erkennbar ist, daß die Hysterese praktisch
verschwunden ist, so daß Sollwert und Istwert nahe
zu identisch sind. Diese besonders vorteilhafte
Wirkung ist darauf zurückzuführen, daß das Piezo
element 1 bei der beschriebenen Einrichtung im
Regelkreis 22 liegt, mit dem es in der beschriebenen
Weise möglich ist, den Hauptkolben 23 in idealer Weise
sehr einfach in die jeweils gewünschte Position zu bringen
und in ihr zu halten. Der Öldruck oder der Förderstrom
können damit exakt und schnell eingestellt werden. Das
Piezoelement 1 weist eine hohe Dynamik auf.
Dadurch kann das Piezoelement 1 äußerst rasch den Gesamthub
durchfahren. Dadurch ist es möglich, die anhand von Fig. 3
beschriebene Hysterese rasch auszugleichen. Das Piezoelement 1
kann auf Änderungen der jeweiligen Stellgröße äußerst rasch
reagieren. Dadurch kann der Kolbenschieber 2 selbst
auf kleinste Änderungen in der Stellgröße sofort
reagieren, so daß der anzusteuernde Hauptkolben 23
unmittelbar im gewünschten Sinne verschoben wird, so
daß der vorgegebene Sollwert des Hauptkolbens 23 exakt
eingehalten wird.
Wird während des Betriebes der Einrichtung beispielsweise
der anzusteuernde Hauptkolben 23 durch eine Störgröße
bewegt, dann erfolgt über den beschriebenen Regelkreis
22 eine Rückmeldung zum Piezoelement 1. Die Bewegung
des Hauptkolbens 23 wird vom Wegmeßsystem 24 festge
stellt, das über die Ausgangsleitung 25 ein entsprechendes
Ist-Wert-Signal abgibt, das im Regler 26 mit dem Soll-Wert-
Signal verglichen wird. Dem Piezoelement 1 wird darum ein
entsprechendes Regelsignal zugeführt, wodurch das Piezo
element in der beschriebenen Weise den Kolbenschieber 2
sofort so nachstellt, daß der vorgegebene Sollwert des
Hauptkolbens 23 aufrechterhalten bleibt. Infolge der
hohen Dynamik des Piezoelementes 1 erfolgt diese Nach
reglung sofort, wodurch praktisch keine Hysterese mehr
auftritt.
Neben der Ausregelung von Fehlern besteht auch noch eine
systembedingte geringe Schmutzempfindlichkeit im Vergleich
zur Servoventiltechnik. Das Piezoelement 1 reagiert infolge seiner
verhältnismäßig hohen Steifigkeit sofort auf Änderungen
des Sollwertes. Bei Verwendung des Piezoelementes 1 stört
der in üblichen Hydrauliksystemen sich äußerst störend
bemerkbar machende Schmutz nicht. Dieser Schmutzanfall
kann bei den bekannten Ventilen dazu führen, daß sie
ausfallen. Bei der beschriebenen Einrichtung bleibt
die gewünschte und beschriebene nahezu ideale Abhängigkeit
zwischen Spannung und Verstellweg auch bei Auftreten von
Schmutz beibehalten. Wird beispielsweise der Hauptkolben
23 infolge von Schmutz nicht sogleich in seine Soll-Lage
verschoben, dann wird über die beschriebene Regelschaltung
22 dem Piezoelement 1 das Regelsignal zugeführt und dem
entsprechend die Spannung so weit erhöht und das Piezo
element 1 so weit ausgelenkt, bis der Kolbenschieber 2
eine solche Lage erreicht hat, daß der Steuerdruck aus
reicht, um den Hauptkolben 23 trotz Schmutzanfall in
die Soll-Lage zu verschieben. Auch diese Regelung er
folgt infolge der hohen Dynamik des Piezoelementes 1
innerhalb kürzester Zeit, so daß praktisch keine
Hysterese auftritt. In der Praxis liegt diese Nach
regelzeit im Millisekundenbereich. Hieraus wird er
sichtlich, welche große Dynamik das Piezoelement
1 aufweist.
Das Ventil V wird im beschriebenen Ausführungsbeispiel als
Vorsteuerventil in Form eines Proportional-Ventiles verwendet.
Es kann aber auch als Servoventil oder unmittelbar
als Hauptstufenventil eingesetzt werden. Mit dem
Ventil lassen sich Druck, Drehmomente, Geschwindigkeiten
und dgl. durch Beeinflussung des Öldruckes und des
Förderstromes des Öles beeinflussen. Als Regelgröße
kann jede beliebige bekannte Größe herangezogen
werden, z. B. die Geschwindigkeit, die Position, die
Drehzahl und dgl. Das Piezoelement 1 in Verbindung
mit der Regelschaltung 22 kann beispielsweise auch
zur Bestimmung und Aufrechterhaltung der Lage eines
Schlittens einer Bearbeitungsmaschine herangezogen
werden.
In Fig. 4 haben die dargestellten Kurven etwa den
Steigungswert 1. Die Steigung kann selbstverständlich
auch einen anderen Wert haben. Auch ist eine lineare
Abhängigkeit zwischen der Soll-Wert-Spannung und dem
Ist-Wert-Verschiebeweg nicht notwendig. Es kann jede
gewünschte Abhängigkeit eingestellt werden, also z. B.
eine proportionale oder eine exponentielle Abhängigkeit.
Auf jeden Fall ist bei sämtlichen Kurvenverläufen die
Hysterese nahezu Null. Dadurch ist es auf optimale
Weise möglich, die Einrichtung auf den jeweiligen
Einsatzfall gezielt abzustimmen.
Mit dem Piezoelement 1 und der Regelschaltung 22
kann auch eine Reglung für den Kolbenschieber 2
erreicht werden. In diesem Falle werden beispiels
weise auf dem Piezoelement 1 Dehnmeßstreifen auf
gebracht, mit denen die Auslenkung des Piezoelementes
einfach gemessen werden kann. Die Dehnmeßstreifen geben
dann ein Ist-Wert-Signal ab, das dem Regler 26 zugeführt
werden kann.
Zum Auslenken des Piezoelementes 1 ist nur eine geringe
Energie notwendig. Mit dem Piezoelement 1 lassen sich hohe
Stellkräfte bei entsprechender konstruktiver Gestaltung
einfach erzeugen. Der Bewegungsablauf im quasistatischen
Betrieb ist vibrationsfrei. Außerdem arbeitet das
Piezoelement 1 nahezu verschleißfrei.
Das Piezoelement kann als bimorphes Scheibenelement
ausgebildet sein, dessen radiale Schrumpfung sowie
axiale Dehnung zur Erzeugung der Stellbewegung
ausgenutzt wird. Das Piezoelement besteht vorzugsweise
aus piezoelektrischen Keramiken und kann in Stapelbauweise
ausgebildet sein. Hierbei kann das Piezoelement auch mit
einer Hebelübersetzung versehen sein. Schließlich kann
das Piezoelement in Form von Streifen oder als Röhrchen
ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung als bimorpher
Streifen ist möglich.
Die Einrichtung kann anstelle des Vorsteuerventiles
ein Drosselventil mit einem Kolben-, einem Flach- oder
einem Drehschieber aufweisen. Ein solches Drossel
ventil kann insbesondere als Wegeventil ausgebildet
sein, das mit zwei aktiven Steuerkanten versehen und
zum Einsatz als Modulventil ausgebildet ist. Ebenso
kann das Wegeventil auch vier aktive Steuerkanten
aufweisen und zum Einsatz als Komplettventil ausge
bildet sein.
Die Einrichtung kann zur direkten oder auch zur indirekten
stetigen Beeinflussung von fluidischen Leistungsströmen
ausgebildet sein. Dabei kann die Einrichtung den Steuer
fluidstrom mittels eines Kolbenschiebers, eines Flach
schiebers oder eines Drehschiebers beeinflussen. Die
Einrichtung kann den Steuerfluidstrom auch mittels
eines Düsen-Prallplatten-Systems beeinflussen. Zur
Beeinflussung des Steuerfluidstromes kann auch eine
Kugel oder ein Kegel mit einem zugehörigen Sitz vorge
sehen sein.
Anstelle der Rückstellfeder 5 kann jedes andere geeignete,
Rückstellkräfte erzeugende Element eingesetzt werden. Darüber
hinaus ist es möglich, die Rückstellkräfte durch das Stellelement
2 selbst aufzubringen, wobei es dann direkt an den zu stellenden
hydraulischen Widerstand angekoppelt ist.
Die Einrichtung kann als Druckmodulierventil ausgebildet
sein, dessen Stellelement 2 getaktet angesteuert wird.
Hierbei kann die Frequenz und/oder das Tastverhältnis
variiert werden. Auf diese Weise läßt sich der fluidische
Leitungsstrom direkt proprotional beeinflussen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist grundsätzlich gleich
ausgebildet wie die Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2.
Es hat ebenfalls ein Gehäuse 4 a, in dem sich eine Steuer
buchse 3 a mit Steueröffnungen 19 a und 20 a befindet. In der
Steuerbuchse 3 a ist der Kolbenschieber 2 a mit Kolbenteilen 17 a
und 18 a verschiebbar. Mit ihm können die Durchlaßquerschnitte
der Steueröffnungen 19 a und 20 a verändert werden. Das Gehäuse
4 a hat die Anschlüsse 7 a bis 10 a sowie die Ringkanäle 12 a bis
16 a.
Der Kolbenschieber 2 a wird vom elektrisch ansteuerbaren Piezo
element 1 a verstellt, das im Gegensatz zum vorigen Ausführungs
beispiel fest mit dem Kolbenschieber verbunden ist. Vom Piezo
element 1 a steht ein Verbindungsteil 29 ab, das den Kolben
schieber 2 a mit Spiel durchsetzt. Der Kolbenschieber 2 a ist
hierzu mit einer ihn zentrisch durchsetzenden Öffnung 30 ver
sehen, die an dem vom Piezoelement 1 a abgewandten Ende mit
einem Gewindeabschnitt 31 versehen ist. Der Verbindungsteil
29 weist an seinem vom Piezoelement 1 a abgewandten Ende einen
verdickten Gewindeabschnitt 32 auf, auf den der Kolbenschieber
2 a mit seinem Gewindeabschnitt 31 geschraubt ist. Somit kann
der Kolbenschieber 2 a durch Drehen axial in bezug auf das Ver
bindungsteil 29 stufenlos verstellt werden. Die Gewindeab
schnitte 31, 32 haben sehr kleine Steigung, so daß sich der
Kolbenschieber 2 a durch Drehen sehr feinfühlig verstellen
läßt. Auf das axial über den Kolbenschieber 2 a ragende Ende
des Gewindeabschnittes 32 des Verbindungsteiles 29 wird eine
Mutter 33 geschraubt, um die eingestellte Lage des Kolben
schiebers zu fixieren.
Um den Kolbenschieber 2 a gegenüber dem Verbindungsteil 29 ver
drehen zu können, ist der Gehäuseabschluß 6 a lösbar ausge
bildet. Dann läßt sich das benachbarte Ende des Kolben
schiebers 2 a, das eckig ausgebildet ist, mit einem ent
sprechenden Schlüssel mühelos gegenüber dem Verbindungs
teil 29 verdrehen und damit axial verstellen. Anschließend
kann die Mutter 33 ebenfalls mühelos zur Lagefixierung auf
geschraubt werden.
Da das Verbindungsteil 29 an dem vom Piezoelement 1 a abgewandten
Ende des Kolbeschiebers 2 a befestigt ist, haben beide etwa
gleiche Länge. Wenn der Kolbenschieber 2 a und das Verbindungs
teil 29 darüber hinaus aus Metall bestehen, haben beide Bau
teile annähernd gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
so daß sich Wämedehnungen nicht oder nur unwesentlich auf die
Verstellgenauigkeit auswirken.
Da das Piezoelement 1 a nur einen sehr geringen Hub ausführt,
ist eine hochgenaue Justagemöglichkeit für die Grundein
stellung des Kolbenschiebers 2 a in bezug auf die Steuerbuchse
3 a notwendig. Diese hochgenaue Justagemöglichkeit ist in
der beschriebenen Weise sichergestellt. Insbesondere kann die
Verstellung des Kolbenschiebers 2 a auf dem Verbindungsteil
29 einfach durchgeführt werden, zumal diese Teile nach Ab
nehmen des Gehäuseabschlusses 6 a gut zugänglich sind. Die Ein
stellung des Kolbenschiebers 2 a erfolgt bei bereits fertig
montiertem Ventil, da bei den erforderlichen Genauigkeiten
in der Größenordnung von 10-3 mm eine Einstellung vor dem
Einbau des Ventiles nicht zu erreichen wäre. Würde ein solches
Ventil eingebaut, würde die zuvor eingestellte Lage des
Kolbenschiebers 2 a wieder verlorengehen.
Infolge des geringen Hubes des Piezoelementes 1 a in der Größen
ordnung von wenigen 10-1 mm sind extreme Genauigkeiten bei
der geometrischen Position der Steuerkanten notwendig. Diese
Steuerkantengenauigkeit kann hierbei über die hochgenauen
Fenster in der Steuerbuchse 3 sowie durch den speziell darauf
abgestimmten Kolbenschieber 2 a erreicht werden. Infolge der
hohen Einstellgenauigkeit kann die für ein gutes dynamisches
Ansprechen im Regelkreis 22 sowie für eine hohe Druckver
stärkung erforderliche Nullüberdeckung zwischen dem Kolben
schieber 2 a und der Steuerbuchse 3 a einwandfrei erreicht
werden.
Zur Wirkungsweise des Ventiles nach Fig. 5 kann auf die Aus
führungen zum vorigen Ausführungsbeispiel verwiesen werden.
Damit ein querkraftfreier Antrieb des Kolbenschiebers und dadurch
ein reibungs- und hysteresearmer Betrieb gewährleistet ist,
erfolgt die direkte Anbindung des Kolbenschiebers 2 a an das
Piezoelement 1 a über eine längssteife, aber biegeweiche
Kupplungsstelle 34 (Fig. 6). Um die gewünschte Längssteifigkeit
bei ausreichender Biegeweichheit zu erreichen, ist das stab
förmige Verbindungsteil, das in das Piezoelement 1 a geschraubt
ist, an zwei axial mit Abstand nebeneinander liegenden Stellen im
Querschnitt geschwächt ausgebildet. In diesem Falle sind die
beiden Verschwächungen so ausgebildet, daß jeweils ein Dia
metralsteg 35 und 36 übrig bleibt, die winklig, im Ausführungs
beispiel rechtwinklig, zueinander liegen. Dadurch wird einer
seits erreicht, daß beim elastischen Biegen des Piezoelementes
der Kolbenschieber 2 a einwandfrei axial verstellt wird, daß
aber auch die erforderliche Biegeweichheit gegeben ist, um
einen evtl. Versatz des Piezoelementes 1 a gegenüber dem Kolben
schieber 2 a ausgleichen zu können.
Claims (30)
1. Einrichtung zur stetigen Beeinflussung eines Fluidstromes,
insbesondere in einem Ventil, mit einem den Fluidstrom
steuernden Stellteil, vorzugsweise einem Kolbenschieber,
das von mindestens einem Element verstellbar ist, das in
einem Regelkreis liegt und einem Soll-Ist-Wert-Vergleicher
nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal das Element
regelt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Piezoelement
(1, 1 a) ist, das unter Vermeidung elastischer Zwischen
glieder mit dem Stellteil (2, 2 a) verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1) mit
einem Übertragungsstößel (11) am Stellteil (2) anliegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsstößel (11)
in der Achse des Stellteiles (2) liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1 a) fest
mit dem Stellteil (2 a) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellteil (2 a) eine ihn
vorzugsweise zentrisch durchsetzende Öffnung (30) auf
weist, die von mindestens einem Verbindungsteil (29)
durchsetzt ist, das fest mit dem Piezoelement (1 a) und
dem Stellteil (2 a) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellteil (2 a) relativ
zum Verbindungsteil (29) in Achsrichtung verstellbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (29) das
Stellteil (2 a) mit Spiel durchsetzt.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (29) an
dem vom Piezoelement (1 a) abgewandten Ende des Stell
teiles (2 a) befestigt, vorzugsweise in das Stellteil ge
schraubt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellteil (2 a) über eine
längssteife, biegeweiche Kupplungsstelle (34) mit dem
Piezoelement verbunden ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (29)
die Kupplungsstelle (34) aufweist, die durch Querschnitts
verschwächungen des Verbindungsteiles gebildet ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Ver
gleichers (26) verstärkt wird.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) in
Stapelform ausgebildet ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) in
Stapelform mit Hebelübersetzung ausgebildet ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) als
Streifen ausgebildet ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) als
Röhrchen ausgebildet ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) als
Bimorph-Streifen ausgebildet ist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a) in
einem Drosselventil vorgesehen ist, das einen Kolben-,
Flach- oder Drehschieber aufweist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil als Wege
ventil ausgebildet ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil zwei aktive
Steuerkanten aufweist und zum Einsatz als Modulventil aus
gebildet ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil vier aktive
Steuerkanten aufweist und zum Einsatz als Komplettventil
ausgebildet ist.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur direkten
Beeinflussung fluidischer Leistungsströme ausgebildet ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (1, 1 a)
mit mindestens einem Meßaufnehmer, insbesondere einem
Dehnmeßstreifen oder dgl., versehen ist, der ein Ist-Wert-
Signal an den Vergleicher (26) abgibt.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur indirekten
Beeinflussung fluidischer Leistungsströme als Pilotventil
ausgebildet ist.
24. Einrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens
eine Kugel oder einen Kegel aufweist, die oder der in
einem Ventilsitz liegt.
25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Druck
regelventil (V, 21) aufweist, in dem das Piezoelement
(1, 1 a) angeordnet ist.
26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung als Vor
steuerstufe (V) für ein Druckregelventil (21) einge
setzt wird.
27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Wegmeß
system (24) aufweist, das im Regelkreis (21) liegt und ein
Ist-Wert-Signal dem Vergleicher (26) zuführt.
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung als Druck
modulierventil ausgebildet ist.
29. Einrichtung nach Anspruch 28,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stellteil des Druckmodu
lierventiles getaktet angesteuert wird mit Variation von
Frequenz und/oder Tastverhältnis.
30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte benötigte Elek
tronik für Regler und Hochspannung innerhalb eines ge
meinsamen Gehäuses mit dem Ventil angeordnet ist und
dieser Elektronik von außen nur die Versorgungsspannung,
das Sollwertsignal sowie Steuersignale zugeführt werden.
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- 1989-08-03 DE DE3925686A patent/DE3925686C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-08-18 DE DE89115217T patent/DE58906197D1/de not_active Revoked
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DE3925686C2 (de) | 1994-12-08 |
DE58906197D1 (de) | 1993-12-23 |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |