DE4017960A1 - Elektrohydraulisches regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Regelventil. Dieses weist ein Ventilgehäuse mit einer Druckmittelzuleitung und einer Druckmittelableitung für Hydraulikflüssigkeit auf. In dem Ventilgehäuse ist eine Ventilkammer ausgebildet. Zwi­ schen Druckmittelzuleitung und Druckmittelableitung ist ein Ventilsitz angeordnet. In der Ventilkammer ist ein Ventil­ körper vorgesehen, welcher zur Einstellung des Durchlaßquer­ schnittes gegenüber dem Ventilsitz entgegen der Wirkung einer Ventilfeder verschiebbar ist. Mit dem Ventilkörper ist ein Steuerkolben verbunden. Vor der Druckfläche dieses Steuer­ kolbens ist im Ventilgehäuse eine Steuerkammer ausgebildet. Eine elektrisch angesteuerte Vorsteuereinrichtung erzeugt einen hydraulischen Steuerdruck in der Steuerkammer.

Derartige elektrohydraulische Regelventile mit Vorsteuerung dienen als elektrisch ansteuerbare Stellglieder innerhalb eines geschlossenen Regelkreises. Je nach Verwendungszweck verarbeiten sie Geschwindigkeit, Weg, Druck oder Volumen als Regelgröße. Die Einstellung des Durchlaßquerschnittes erfolgt proportional zur Regelabweichung, die aus einem Vergleich zwischen Ist-Wert und Soll-Wert ermittelt wird. Der Ist-Wert, beispielsweise der in einem Hydraulikzylinder herrschende Arbeitsdruck, wird dabei an geeigneter Stelle durch einen elektrischen Meßwertaufnehmer abgetastet und einer elektro­ nischen Regellogik zugeführt. Diese steuert dann die elektro­ mechanische Vorsteuereinrichtung des Regelventils im Sinne einer Verminderung der festgestellten Regelabweichung.

Es sind elektrohydraulische Stetig-Ventile bekannt, bei denen zur Vorsteuerung ein Proportionalmagnet eingesetzt wird.

Beispielsweise aus der DE 31 31 860 C2 ist ferner ein Hydrau­ likventil bekannt, bei dem mehrere, elektrisch angesteuerte Hilfssteuerventile zur Einstellung des Durchlaßquerschnittes vorhanden sind. Beim Betrieb dieser Vorsteuerventile sind Strömungsverluste unvermeidbar, welche die Regelgenauigkeit vermindern.

In bestimmten Anwendungsfällen möchte man gerne die übliche Ölhydraulik durch eine Wasserhydraulik ersetzen. Wasser hat eine etwas geringere Kompressibilität als Öl, so daß weniger Kompressionsarbeit zu erbringen ist und kleinere Strömungs­ querschnitte realisiert werden können. Weiterer, gerade in letzter Zeit zunehmend bedeutungsvoller werdender Vorteil der Wasserhydraulik ist ihre Umweltverträglichkeit. Zudem verbie­ tet sich Öl als Hydraulikmedium immer dort, wo Brand- und Explosionsgefahr herrschen.

Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes von Wasser als Hydrau­ likflüssigkeit ist jedoch die fehlende Schmierfähigkeit, weshalb aufwendigere Ventilkonstruktionen und zusätzliche Abdichtungen im Vergleich zur Ölhydraulik erforderlich sind. Die bisher in der Ölhydraulik bewährten Regelventile mit ihren bekannten Vorsteuerelementen können für Wasserhydraulik nur mit eingeschränkten Leistungsdaten, insbesondere hinsicht­ lich einer feinfühligen Servoregelbarkeit, verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines elektrohydrau­ lischen Regelventils, insbesondere für Wasserhydraulik, mit einer zuverlässig arbeitenden Vorsteuereinrichtung, welches sich durch hohe Regelgenauigkeit und geringen Energieverlust auszeichnet.

Bei der Lösung dieses technischen Problems wird ausgegangen von einem Regelventil der eingangs erwähnten Art. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die in dem Ventilkörper ausgebildete Steuerkammer über eine Steuerdruckleitung mit einer Vorsteuer­ kammer, die mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, in Verbin­ dung steht, und daß die Vorsteuereinrichtung von einem elek­ trischen Stellmotor betätigt wird, wobei der Stellmotor eine Steuerspindel antreibt, deren Spindelmutter mit einem Vor­ steuerkolben gekoppelt ist, welcher Hydraulikflüssigkeit aus der Vorsteuerkammer über die Steuerdruckleitung in die Steuer­ kammer verdrängt.

Bei dem vorgeschlagenen Regelventil folgt die Einstellung des Durchlaßquerschnittes mittels eines elektrischen Stellmotors, der seinerseits in an sich bekannter Weise von einer Regel­ elektronik angesteuert wird. Geeignete Regelschaltungen, die nach dem Prinzip des geschlossenen Regelkreises arbeiten, sind beispielsweise aus der Automationstechnik verfügbar. Die Drehbewegung des Stellmotors wird von der Steuerspindel mit dazugehöriger Spindelmutter in eine entsprechende Hubbewegung des Vorsteuerkolbens umgewandelt. Je nach Eintauchtiefe des Vorsteuerkolbens wird Hydraulikflüssigkeit aus der Vorsteuer­ kammer verdrängt und über die Steuerdruckleitung in die Steu­ erkammer gedrückt. Gegen die Wirkung der Ventilfeder hebt der Ventilkörper, der mit dem Steuerkolben verbunden ist, vom Ventilsitz ab, wobei der sich ergebende Durchlaßquerschnitt proportional zu dem aus der Vorsteuerkammer verdrängten Hy­ draulikflüssigkeits-Volumen ist. Eine Umkehrung der Drehrich­ tung des elektrischen Stellmotors bewirkt eine Rückwärtsbe­ wegung des Vorsteuerkolbens, so daß Hydraulikflüssigkeit aus der Steuerkammer zurück in die Vorsteuerkammer angesaugt wird und sich das Ventil, unterstützt von der Wirkung der Ventil­ feder, ganz oder teilweise schließt.

Die erfindungsgemäße Servosteuerung mit einem elektrischen Stellmotor an der Schnittstelle zwischen Regelelektronik und Steuerungsmechanik hat den Vorteil, daß in der Vorsteuerstufe keine Strömungsverluste auftreten. Auf eine besondere Kühlung der Hydraulikflüssigkeit kann dabei ebenso verzichtet werden wie auf eine aufwendige Mediumsaufbereitung. Das vorge­ schlagene Regelventil mit erfindungsgemäß ausgebildeter Vor­ steuereinrichtung ist deshalb besonders dazu geeignet, mit Wasser als Hydraulikflüssigkeit zu arbeiten. Aufgrund der Verwendung eines hochpräzisen Stellmotors als Stellorgan zeichnet sich das vorgeschlagene Regelventil durch eine eben­ so feinfühlige wie genaue und stabile Einstellbarkeit des Durchlaßquerschnittes aus.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Vor­ steuerkammer als Zylinder in einem Steuergehäuse ausgebildet und ist der Vorsteuerkolben als Plunger, der durch das Steuer­ gehäuse in die Vorsteuerkammer hineinragt, ausgebildet. Zur Abdichtung zwischen Vorsteuerkolben und Steuergehäuse kann in bewährter Weise eine Stopfbüchse dienen.

Eine bevorzugte Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspindel in einem hinteren Spindellager und einem vorderen Spindellager ortsfest, jedoch drehbar gelagert ist, und daß die Koppelung zwischen Vorsteuerkolben und Spindel­ mutter mittels eines Schubgliedes erfolgt, welches in einer Führung parallel zur Steuerspindel verschiebbar gelagert ist.

Eine exakt parallele Führung des Vorsteuerkolbens ist gewähr­ leistet, wenn das Schubglied gebildet wird von einer vorderen Traverse, die mit dem freien Ende des Steuerkolbens verbunden ist, einer hinteren Traverse, die mit der Spindelmutter ver­ bunden ist, sowie wenigstens zwei Schubstangen, welche die beiden Traversen verbinden. Zweckmäßigerweise wird man die beiden Schubstangen parallel und etwa in gleichem Abstand zu beiden Seiten der angetriebenen Steuerspindel anordnen. Insbe­ sondere bei größerem Hub des Steuerkolbens kann der Parallel­ lauf durch eine Zusatzführung für die Schubstangen, die vor­ zugsweise außerhalb des Bereichs der Spindellager anzuordnen ist, weiter verbessert werden.

Bewährt hat sich eine koaxiale Anordnung von Steuerspindel, Spindelmutter, Vorsteuerkolben und Vorsteuerkammer, wobei zweckmäßigerweise Vorsteuerkolben und Steuerspindel zuein­ ander fluchtend, jedoch hintereinander anzuordnen sind.

Die Übertragung der Drehbewegung des Stellmotors kann über einen Antriebsriemen auf ein Spindelrad, das stirnseitig auf der Steuerspindel sitzt, erfolgen. Als Antriebsriemen ist insbesondere ein Zahnriemen geeignet. Denkbar ist allerdings auch, den Stellmotor ebenfalls koaxial zur Steuerspindel anzuordnen, so daß letztere direkt angetrieben werden kann.

Die Vorsteuerkammer muß zur Erzielung der gewünschten hohen Regelgüte immer vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein. Da gerade bei der Verwendung von Wasser als Hydraulik­ medium diese Undichtigkeiten einerseits unvermeidbar, anderer­ seits aber auch hinnehmbar sind, empfiehlt sich das Vorsehen einer Nachfülleinrichtung für Hydraulikflüssigkeit an der Vorsteuerkammer. Mittels einer derartigen Nachfülleinrichtung läßt sich auch sehr einfach das Hydrauliksystem auf Dichtig­ keit überwachen.

Die Vorsteuereinrichtung kann mit dem Hauptventil eine Bauein­ heit bilden. Möglich ist jedoch auch eine körperliche Tren­ nung, wobei die Steuerdruckleitung das Hauptventil und die Vorsteuereinrichtung miteinander verbindet. Jedenfalls sollte das Steuergehäuse mit Vorsteuerkammer und Vorsteuerkolben, die Steuerspindel mit Spindelmutter und Spindellagern sowie das Schubglied als Baueinheit auf einer gemeinsamen Grund­ platte angeordnet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Abbil­ dung zeigt in einem vereinfachten Schnittbild ein elektrohy­ draulisches Regelventil mit Vorsteuereinrichtung.

Ein Ventilgehäuse 1 weist eine Druckmittelzuleitung 2 und eine Druckmittelableitung 3 für Hydraulikflüssigkeit auf. In dem Ventilgehäuse 1 ist eine Ventilkammer 4 ausgebildet, die einen zwischen Druckmittelzuleitung 2 und Druckmittelab­ leitung 3 angeordneten Ventilsitz 5 aufweist. Ein Ventil­ körper 6 ist in der Ventilkammer 4 gegenüber dem Ventilsitz 5 entgegen der Wirkung einer Ventilfeder 7 verschiebbar gela­ gert. Der Ventilkörper 6 weist eine zum Ventilsitz 5 korres­ pondierende Dichtfläche 8 und eine kegelförmige Ventil­ spitze 9 auf. Am gegenüberliegenden Ende des Ventilkörpers 6 ist ein Steuerkolben 10 angeformt. Vor einer Druckfläche 11 dieses Steuerkolbens 10 ist im Ventilgehäuse 1 eine Steuer­ kammer 12 ausgebildet.

Zur Steuerung der Stellung des Ventilkörpers 6 gegenüber dem Ventilsitz 5 ist eine insgesamt mit 13 bezeichnete Vorsteuer­ einrichtung vorgesehen. In einem Steuergehäuse 14 ist eine vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte Vorsteuer­ kammer 15 ausgebildet. Mit der Steuerkammer 12 steht die Vorsteuerkammer 15 durch eine Steuerdruckleitung 16 in Hydrau­ likverbindung. Ein als Plunger ausgebildeter Vorsteuer­ kolben 17 ragt von außen durch eine Wand des Steuerge­ häuses 14 in die zylindrische Vorsteuerkammer 15 hinein. Der Abdichtung zwischen Vorsteuerkolben 17 und Steuergehäuse 15 dient eine Stopfbüchse 18. Die Vorsteuerkammer 15 steht mit einer Nachfülleinrichtung 19 in Flüssigkeitsverbindung.

Der Vorsteuerkolben 17 ist mit einem Schubglied 20 verbunden, welches aus einer vorderen Traverse 21, einer hinteren Tra­ verse 22 sowie zwei diese verbindenden, parallelen Schub­ stangen 23 und 24 besteht. Eine Steuerspindel 25 ist in einem vorderen Spindellager 26 und einem hinteren Spindel­ lager 27 horizontal drehbar gelagert. Über ein stirnseitiges Spindelrad 28 und einen Antriebsriemen 29 kann die Steuerspin­ del 25 von einem elektrischen Stellmotor 30 in Drehung ver­ setzt werden. Bei Drehung der ortsfest gelagerten Steuerspin­ del 25 verschiebt sich eine darauf montierte Spindelmutter 31 in horizontaler Richtung. Die Spindelmutter 31 ist mit der hinteren Traverse 22 des Schubgliedes 20 verbunden. Die obere Schubstange 23 und die untere Schubstange 24 sind ferner in einer Zusatzführung 32 parallel geführt.

Die gesamte Vorsteuereinrichtung 13 mit Vorsteuerkammer 15, Schubglied 20 und Steuerspindel 25 ist auf einer gemeinsamen Grundplatte 33 angeordnet und mit dem Ventilgehäuse 1 ledig­ lich über die zweckmäßigerweise flexibel ausgeführte Steuer­ druckleitung 16 verbunden.

Der Stellmotor 30 wird über eine (nicht dargestellte) Rege­ lungselektronik, die vorzugsweise als geschlossener Regel­ kreis ausgebildet ist, elektrisch angesteuert. Zur Erkennung einer Abweichung der Ist-Stellung des Ventilkörpers 6 von seiner Soll-Stellung ist an geeigneter Stelle, beispielsweise in der Ventilkammer 4, ein (nicht dargestellter) Meßwertauf­ nehmer, beispielsweise ein Drucksensor, vorzusehen.

Bei festgestellter Regelabweichung wird der Stellmotor 30 eingeschaltet und versetzt die Steuerspindel 25 in Drehung. Die hierdurch bewirkte Verschiebung der Spindelmutter 31 auf der Steuerspindel 25 überträgt sich über das Schubglied 20 auf den Vorsteuerkolben 17. Je nach Eintauchtiefe des Vor­ steuerkolbens 17 in die Vorsteuerkammer 15 wird mehr oder weniger Hydraulikflüssigkeit über die Steuerdruckleitung 16 in die Steuerkammer 12 gedrückt. Der somit erzeugte Steuer­ druck wirkt auf die Druckfläche 11 des Steuerkolbens 10 und bewirkt eine Verschiebung des mit diesem verbundenen Ventil­ körpers 6 gegenüber dem Ventilsitz 5. Die Stellung des Ventil­ körpers 6 - und damit der Durchlaßquerschnitt des Regel­ ventils - ist somit stets proportional zur Winkelstellung des Stellmotors 30.

Bei dem hier dargestellten elektrohydraulischen Regelventil wird als Hydraulikflüssigkeit Wasser verwendet. Eventuell durch eine Undichtigkeit aus dem Vorsteuerventil ausgetre­ tenes Wasser wird automatisch über die Nachfülleinrichtung 19 ersetzt.

Verzeichnis der Bezugsziffern

 1 Ventilgehäuse
 2 Druckmittelzuleitung
 3 Druckmittelableitung
 4 Ventilkammer
 5 Ventilsitz
 6 Ventilkörper
 7 Ventilfeder
 8 Dichtfläche
 9 Ventilspitze
10 Steuerkolben
11 Druckfläche (an 10)
12 Steuerkammer
13 Vorsteuereinrichtung
14 Steuergehäuse
15 Vorsteuerkammer
16 Steuerdruckleitung
17 Vorsteuerkolben
18 Stopfbüchse
19 Nachfülleinrichtung
20 Schubglied
21 vordere Traverse
22 hintere Traverse
23 obere Schubstange
24 untere Schubstange
25 Steuerspindel
26 vorderes Spindellager
27 hinteres Spindellager
28 Spindelrad
29 Antriebsriemen
30 Stellmotor
31 Spindelmutter
32 Zusatzführung (für 23, 24)
33 Grundplatte

Claims (11)

1. Elektrohydraulisches Regelventil, mit

• - einem Ventilgehäuse (1), das eine Druckmittelzuleitung (2) und eine Druckmittelableitung (3) für Hydraulikflüssigkeit aufweist;
• - einer in dem Ventilgehäuse (1) ausgebildeten Ventil­ kammer (4) mit einem zwischen Druckmittelzuleitung (2) und Druckmittelableitung (3) angeordneten Ventilsitz (5);
• - einem in der Ventilkammer (4) vorgesehenen Ventil­ körper (6), der zur Einstellung des Durchlaßquerschnittes gegenüber dem Ventilsitz (5) entgegen der Wirkung einer Ventilfeder (7) verschiebbar ist;
• - einem mit dem Ventilkörper (6) verbundenen Steuer­ kolben (10);
• - einer im Ventilgehäuse (1) vor einer Druckfläche (11) des Steuerkolbens (10) ausgebildeten Steuerkammer (12);
• - einer elektrisch angesteuerten Vorsteuereinrichtung (13), die einen hydraulischen Steuerdruck in der Steuer­ kammer (12) erzeugt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuer­ einrichtung (13) umfaßt:

• - eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte Vorsteuer­ kammer (15), die über eine Steuerdruckleitung (16) mit der Steuerkammer (12) in Hydraulikverbindung steht;
• - einen elektrischen Stellmotor (30);
• - eine von dem Stellmotor (30) angetriebene Steuerspin­ del (25) mit Spindelmutter (31);
• - einen an die Spindelmutter (31) gekoppelten Vorsteuer­ kolben (17), der Hydraulikflüssigkeit aus der Vorsteuer­ kammer (15) in die Steuerkammer (12) verdrängt.

2. Elektrohydraulisches Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Vorsteuerkammer (15) als Zylinder in einem Steuerge­ häuse (14) ausgebildet ist;
• - der Vorsteuerkolben (17) als Plunger ausgebildet ist, der durch eine Wand des Steuergehäuses (14) in die Vorsteuer­ kammer (15) hineinragt.

3. Elektrohydraulisches Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Steuerspindel (25) in einem vorderen Spindellager (26) und einem hinteren Spindellager (27) drehbar gelagert ist;
• - die Koppelung zwischen Vorsteuerkolben (17) und Spindel­ mutter (31) mittels eines Schubgliedes (20) erfolgt, wel­ ches parallel zur Steuerspindel (25) verschiebbar gelagert ist.

4. Elektrohydraulisches Regelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schubglied (20) gebil­ det wird von:

• - einer vorderen Traverse (21), die mit dem freien Ende des Vorsteuerkolbens (17) verbunden ist;
• - einer hinteren Traverse (22), die mit der Spindelmut­ ter (31) verbunden ist;
• - wenigstens zwei Schubstangen (23, 24), welche die beiden Traversen (21, 22) verbindet.

5. Elektrohydraulisches Regelventil nach Anspruch 4, ge­ kennzeichnet durch eine Zusatzführung (32) für die Schubstangen (23, 24).

6. Elektrohydraulisches Regelventil nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerspindel (25), Spindelmutter (31), Vorsteuerkolben (17) und Vorsteuerkammer (15) zueinander koaxial angeordnet sind.

7. Elektrohydraulisches Regelventil nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Steuerspindel (25) durch den Stellmotor (30) über ein stirnseitiges Spindelrad (28) und einen Antriebsrie­ men (29) erfolgt.

8. Elektrohydraulisches Regelventil nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorsteuerkammer (15) eine Nachfülleinrichtung (19) für Hydraulikflüssigkeit vorgesehen ist.

9. Elektrohydraulisches Regelventil nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeit Wasser ist.

10. Elektrohydraulisches Regelventil nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergehäuse (14) mit Vorsteuerkammer (15) und Vorsteuer­ kolben (17), die Steuerspindel (25) mit Spindelmutter (31) und Spindellagern (26, 27) sowie das Schubglied (20) als Baueinheit auf einer gemeinsamen Grundplatte (33) angeordnet sind.