DE4108080A1 - Druckregelventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Druckregelventil zur Steuerung des fluidischen Drucks proportional zu einem elektrischen Sollwertsignal nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Es ist schon ein solches Druckregelventil aus der EP 00 47 848 B1 bekannt, bei dem der Magnetanker des Elektromagneten kraftschlüssig mit einem den Ventilsitz für den Ventilkegel tragenden Ventilkörper verbunden ist. Die Stellung des Ventilkegels wird mittels eines induktiven Wegaufnehmers abgegriffen. Aus dessen wegproportionalem Ausgangssignal wird nach Vergleich mit einem elektrischen Sollwert­ signal im Differenzverstärker ein Steuersignal für den Proportional­ magneten erzeugt. Entsprechend der Erregung der Magnetwicklung wird der Magnetanker und mit diesem der Ventilkörper solange gegen die Kraft der Meßfeder verschoben, bis der über die Verschiebung des Ventilkegels und die Längenänderung der Meßfeder mit Hilfe des Weg­ aufnehmers gemessene Isthub mit dem Sollhub übereinstimmt. Ein solches Druckregelventil arbeitet mit hoher Regelgenauigkeit, da die Regelgröße Federhub und der sich proportional zur Federkraft erge­ bende Druck in einem geschlossenen Regelkreis eingestellt wird. Mit diesem Druckregelventil läßt sich auch eine Druck/Sollwert-Kennlinie von hoher Linearität erreichen, da hier auch der Einfluß des druck­ abhängigen Schließgliedhubes berücksichtigt wird. Zudem weist dieses Druckregelventil eine gute Langzeitstabilität auf, da Verschleiß im Ventilsitz und im Ventilkegel ausgeregelt werden. In manchen Anwen­ dungsfällen ist es nun ungünstig, daß hier der Elektromagnet und der Wegaufnehmer auf einander entgegengesetzten Seiten des fluidischen Druckventils liegen. Der Aufbau einer integrierten Ventilelektronik für Elektromagnet und Wegaufnehmer läßt sich schlecht durchführen, da das dazwischenliegende Ventilgehäuse überbrückt werden muß.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Druckregelventil mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich un­ ter Beibehaltung der bisherigen guten Eigenschaften günstigere Ein­ bauverhältnisse erzielen lassen, da der Magnet und der Wegaufnehmer auf der gleichen Ventilseite angeordnet sind. Eine integrierte Ven­ tilelektronik läßt sich daher bei relativ geringem Aufwand durch­ führen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Druckregelventils möglich. Besonders günstig ist es, wenn das Übertragungselement gemäß Anspruch 2 mechanisch ausgebildet wird, wodurch sich eine robuste, kompakte und relativ kostengünstige Bauweise durchführen läßt. Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestal­ tung nach Anspruch 3, wobei für die exakte Wegerfassung der Meßfeder ein einfach bauender Wegaufnehmer mit nur einem Spulensystem aus­ reicht. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn das Druckregel­ ventil nach Anspruch 6 ausgebildet wird und dabei der Wegaufnehmer mit zwei Spulensystemen den exakten Weg der Meßfeder ermittelt; dadurch läßt sich eine besonders hysteresearme Bauart erreichen. Ferner ist es gemäß Anspruch 9 zweckmäßig, den Wegaufnehmer im Druckregelventil nach dem Prinzip eines Differentialtransformators auszubilden, um damit eine direkte Messung einer Wegdifferenz zu ermöglichen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel des Druckregelventils in vereinfachter Darstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung und

Fig. 3 einen Teil eines dritten Ausführungsbeispiels im Schnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil 10, das im wesentlichen aus einem hydraulischen Ventil 11, einem propor­ tional arbeitenden Magneten 12 und einem induktiv arbeitenden, elek­ tromechanischen Wegaufnehmer 13 besteht.

Das hydraulische Ventil 11 weist ein Ventilgehäuse 14 mit einer Längsbohrung 15 auf, in der ein als Schieberkolben ausgebildeter Ventilkörper 16 dicht und gleitend geführt ist. Der Ventilkörper 16 weist an seinem einem Bodenteil 17 gegenüberliegenden Ende einen Ventilsitz 18 auf, der mit einem zugeordneten Ventilkegel 19 zusam­ menarbeitet. Der Ventilkegel 19 wird von einer Meßfeder 21 auf den Ventilsitz 18 gedrückt und sperrt dabei einen im Ventilkörper 16 ausgebildeten Druckraum 22 ab, der über im Ventilkörper 16 ausgebil­ dete Radialbohrungen 23 ständig mit einem ersten Anschluß 24 für den Zulauf und damit für den geregelten Druck in Verbindung steht. Ven­ tilkegel 19 und Meßfeder 21 liegen in einer Rücklaufkammer 25, die als Erweiterung der Längsbohrung 15 im Ventilgehäuse 14 ausgebildet ist. Diese Rücklaufkammer 25 ist durch einen Deckel 26 verschlossen, an dem sich auch die Meßfeder 21 gehäusefest abstützt. Ferner steht die Rücklaufkammer 25 mit einem zweiten Anschluß 27 für den Rücklauf in Verbindung. Weiterhin führt von der Rücklaufkammer 25 ein Querka­ nal 28 zu einer Entlastungskammer 29, die zu der anderen Stirnseite 31 des Ventilgehäuses 14 hin offen ist und welche durch den ange­ flanschten Magneten 12 abgesperrt ist. Der kolbenförmige Ventilkör­ per 16 ist somit an seinen beiden stirnseitigen Enden lediglich dem Rücklaufdruck ausgesetzt. Ferner ist auf der Seite des Ventilsitzes 18 zwischen dem Ventilkörper 16 und dem Ventilkegel 19 in an sich bekannter Weise eine relativ schwache Druckfeder 32 angeordnet.

Der an der Stirnseite 31 des Ventilgehäuses 14 angebaute, propor­ tional arbeitende Magnet 12 weist einen Anker 33 auf, der mit einem hülsenförmigen Stößel 34 in die Entlastungskammer 29 hineinragt und dessen Ende kraftschlüssig am Bodenteil 17 des Ventilkörpers 16 an­ liegt. Am Magneten 12 ist auf der zum Stößel 34 entgegengesetzt liegenden Seite ein Druckrohr 35 angebaut.

Das Druckrohr 35 bildet ein Teil des induktiv arbeitenden Wegaufneh­ mers 13, der seinerseits am Magnet 12 angebaut ist. Das Druckrohr 35 nimmt in seinem Inneren einen Ferrit-Kern 36 auf, dessen Hub über ein elektrisches Spulensystem 37 in ein wegproportionales, elektri­ sches Ausgangssignal am Anschluß 38 umgewandelt wird. Das Istwert­ signal im Anschluß 38 wird einem Regelverstärker 39 zugeführt, dem ein elektrisches Sollwertsignal 41 für den Druck zugeführt wird und dessen Ausgangssignal den Proportional-Magnet 12 ansteuert. Der Magnet 12 ist somit Teil eines Lageregelkreises 42, in dem als Re­ gelgröße der Hub der Meßfeder 21 geregelt wird. Um dies zu ermöglichen, steht der Ventilkegel 19 über eine als Übertragungselement dienende Stange 43 mechanisch mit dem Ferrit-Kern 36 im Druckrohr 35 in Verbindung. Diese Stange 43 verläuft koaxial zu dem Ventilkegel 19, dem Ventilkörper 16, dem Anker 33 mit seinem hülsenförmigen Stößel 34 und durchdringt hierbei den Magnet 12. Im Bereich des Bodenteils 17 am Ventilkörper 16 weist diese Stange 43 eine kolben­ förmige Verdickung 44 auf, mit der sie in einer zylindrischen Boh­ rung 45 im Bodenteil 17 dicht und gleitend geführt ist. Die Ver­ dickung 44 bildet mit der Bohrung 45 somit eine den Druckraum 22 gegenüber der Entlastungskammer 29 absperrende Dichtstelle 46. Der Durchmesser der Bohrung 45 ist im Verhältnis zum Durchmesser des Ventilsitzes 18 kleiner gewählt, so daß für den Ventilkegel 19 eine wirksame Ringfläche verbleibt, auf der er vom Druck im Druckraum 22 bzw. im ersten Anschluß 24 gegen die Kraft der Meßfeder 21 belastet wird.

Die Wirkungsweise des Druckregelventils 10 wird wie folgt erläutert: Bei diesem Druckregelventil 10 stützt sich die Meßfeder 21 gehäuse­ fest ab, so daß für die genaue Erfassung des Meßfederweges und damit der Vorspannkraft nur der Hub des Ventilkegels 19 erfaßt werden muß. Der Ventilkörper 16 mit Ventilsitz 18 ist beweglich im Ventilgehäuse 14 geführt und wird vom Proportional-Magneten 12 gegen den Ventil­ kegel 19 gedrückt. Der im ersten Anschluß 24 und damit im Druckraum sich einstellende Druck bezogen auf den wirksamen Ringquerschnitt am Ventilkörper 19 erzeugt eine Kraft, die im Gleichgewicht zur Kraft der Meßfeder 21 steht. Wird deshalb das Stellungssignal des Ventil­ kegels 19 mit dem Sollwertsignal 41 verglichen und über den Regel­ verstärker 39 der Magnet 12 angesteuert, so wird der Ventilkörper 16 mit dem Ventilsitz 18 abhängig vom Druck durch den Proportional-Ma­ gneten 12 soweit verschoben, bis sich der vorgegebene Meßfederweg und damit die Kraft an der Meßfeder 21 eingestellt hat.

Bleiben die am Ventilkörper 16 wirkenden Reibungskräfte unberück­ sichtigt, so ergibt sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen Sollwertsignal 41 und dem geregelten Druck im ersten Anschluß 24.

Bei vorliegendem Druckregelventil 10 lassen sich die Vorteile des vorbekannten Druckregelventils beibehalten, insbesondere was seine genaue Druckregelung, seine lineare Druckkennlinie, gute Langzeit­ stabilität usw. betreffen. Zudem können bei diesem Druckregelventil 10 der Magnet 12 und der Wegaufnehmer 13 nebeneinander angeordnet werden, was für den Aufbau einer integrierten Elektronik am Ventil vorteilhaft ist. Das Druckregelventil 10 ist damit an die Einbau­ verhältnisse beim Kunden wesentlich günstiger anpaßbar.

Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Druckregel­ ventil 50, das sich vom ersten Druckregelventil 10 wie folgt unter­ scheidet, wobei für gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen ver­ wendet werden. Das zweite Druckregelventil 50 hat vor allem ein anders aufgebautes hydraulisches Ventil 51 und einen geänderten Wegaufnehmer 52. Der den Ventilsitz 18 aufweisende Ventilkörper 53 ist nun gehäusefest angeordnet und zu diesem Zweck als von außen verstellbarer Gewindebolzen ausgebildet. Der erste Anschluß 24 für den geregelten Druck und der zweite Anschluß 27 für den Rücklauf sind nun in ihrer Lage relativ zum Magneten 12 vertauscht angeord­ net. Damit ist die mit dem Rücklauf-Anschluß 27 verbundene Rücklauf­ kammer 25, in dem die Meßfeder 21 und der Ventilkegel 19 angeordnet sind, zur anderen Stirnseite 31 hin offen und vom angeflanschten Magneten 12 abgesperrt. Die am Ventilkegel 19 anliegende Meßfeder 21 stützt sich mit ihrem anderen Ende auf einen in der Rücklaufkammer 25 liegenden Federteller 54 ab, das nunmehr mit dem Stößel 34 des Ankers 33 in Wirkverbindung steht und somit in seiner Lage von ihm verstellbar ist.

Im Wegaufnehmer 52 arbeitet das erste Spulensystem 37 mit dem im Druckrohr 35 angeordneten ersten Ferrit-Kern 36 zusammen, um mit Hilfe der durch den Proportionalmagnet 12 hindurchgeführten Stange 43 den Hub bzw. Weg des Ventilkegels 19 zu erfassen. Darüberhinaus weist der Wegaufnehmer 52 ein zweites Spulensystem 55 auf, das mit einem zweiten Ferrit-Kern 56 im Druckrohr 35 zusammenarbeitet. Die­ ser zweite Ferrit-Kern 56 ist über ein hülsenförmiges Übertragungs­ glied 57 mit dem Anker 33 gekoppelt. Mit dem zweiten Spulensystem 55 kann somit der Hub des Ankers 33 und damit des Federtellers 54 er­ mittelt werden. Mit Hilfe nicht näher gezeichneter elektronischer Mittel wird aus den Signalen der beiden Spulensysteme 37 und 55 ein Differenzsignal gebildet, das über den Anschluß 38 an den Regelver­ stärker 39 weitergeführt wird und dessen Größe direkt proportional ist zum exakten Weg der Meßfeder 21 und damit auch zu deren tatsäch­ licher Vorspannkraft. Der Wegaufnehmer 52 arbeitet nach dem Prinzip eines Differentialtransformators und weist für die Ermittlung der Hübe von Ventilkegel 19 und Federteller 54 zwei voneinander vollkom­ men getrennte Spulensysteme 37, 55 auf, die in axialer Richtung im Abstand voneinander und hintereinander angeordnet sind.

Die Wirkungsweise des zweiten Druckregelventils 50 entspricht im Prinzip insofern derjenigen des ersten Druckregelventils 10, als auch hier der exakte Hub der Meßfeder 21 und damit die genaue Vor­ spannkraft über den Lageregelkreis 42 ausgeregelt wird, wobei die jeweilige Vorspannkraft der Meßfeder 21 dem im Ventilsitz 18 wirk­ samen Druck auf den Ventilkegel 19 das Gleichgewicht hält. Die be­ sonders reibungsarme Übertragung des Hubes des Ventilkegels 19 zum Wegaufnehmer 52 ermöglicht eine Bauart, die besonders hysteresearm arbeitet. Die Güte des linearen Zusammenhanges bei der Soll­ wert/Druck-Kennlinie ist hierbei im wesentlichen bestimmt durch die Linearität der Regelfeder 21 und des Wegaufnehmers 52.

Die Fig. 3 zeigt einen Teil eines dritten Druckregelventils 60, das sich vom zweiten Druckregelventil 50 nach Fig. 2 vor allem durch einen anderen Wegaufnehmer 61 unterscheidet. Bei diesem Wegaufnehmer 61 sind die mit der Stange 43 und mit dem hülsenförmigen Übertragungsglied 57 verbundenen Ferritt-Kerne als aufeinander verschieb­ bare Hülsen 62 bzw. 63 ausgebildet. Anstelle zweier Spulensysteme genügt im Wegaufnehmer 61 ein einziges Spulensystem 64, das aus einer Primärspule 65, einer Sekundärspule 66 sowie einer Erreger­ spule 67 besteht. Auch dieser Wegaufnehmer 61 arbeitet nach dem Prinzip eines Differentialtransformators und ermöglicht durch seine Gestaltung und Anordnung der Spulen eine direkte und exakte Messung des Weges der Meßfeder 21. Im übrigen arbeitet das dritte Druckre­ gelventil 60 in entsprechender Weise wie das zweite Druckregelventil 50 nach Fig. 2.

Selbstverständlich sind an den gezeigten Ausführungsformen Änderun­ gen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann anstelle der einstückig ausgebildeten Stange 43 auch eine mehrglied­ rige Ausbildung des Übertragungsgliedes treten.

Claims (9)

1. Druckregelventil zur Steuerung des fluidischen Drucks proportio­ nal zu einem elektrischen Sollwertsignal, mit einem von einer Meß­ feder entgegen dem fluidischen Druck belasteten Ventilkegel, der in einem wenigstens zwei Anschlüsse für den geregelten Druck und den Rücklauf aufweisenden Ventilgehäuse angeordnet ist und dem ein einen Ventilsitz aufweisender Ventilkörper zugeordnet ist und mit einem proportional arbeitenden Magneten, dessen Anker zum Verstellen der Vorspannung der Meßfeder dient und mit einem elektromechanischen Wegaufnehmer, dessen Ausgangssignal vom Hub der Meßfeder beeinflußt ist, wobei Magnet und Wegaufnehmer in einem Lageregelkreis liegen, dem das Sollwertsignal für den Druck zugeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Magnet (12) mit seinem Anker (33) zwischen Ventil­ gehäuse (14) und Wegaufnehmer (13; 52; 61) angeordnet ist und daß ein den Hub des Ventilkegels (19) durch den Magneten (12) hindurch zum Wegaufnehmer (13; 52; 61) übertragendes Übertragungselement (43) vorgesehen ist.

2. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement eine zentral angeordnete Stange (43) ist, die den Ventilkegel (19) mit einem Kern (36) des Wegaufnehmers (13; 52; 61) wirkungsmäßig verbindet und die koaxial zum Ventilkegel (19), zum Anker (33) und zum Druckrohr (35) des Wegaufnehmers (13; 52; 61) verläuft.

3. Druckregelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ventilkegel (19) anliegende Meßfeder (21) andererseits am Gehäuse (14, 26) abgestützt ist und der den Ventilsitz (18) aufwei­ sende Ventilkörper (16) im Gehäuse (14) beweglich geführt und vom Anker (33) des Magneten (12) entgegen der Kraft der Meßfeder (21) verstellbar ist, daß der Anker (33) einen hülsenförmigen Stößel (34) aufweist, der an einem Bodenteil (17) des Ventilkörpers (16) anliegt und daß das Übertragungselement (43) in einer Dichtstelle (46) im Ventilkörper (16) dicht und gleitend hindurchgeführt ist.

4. Druckregelventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilkörper (16) ein Druckraum (22) ausgebildet ist, der über Ra­ dialbohrungen (23) im Ventilkörper (16) mit dem ersten Anschluß für den Zulauf (24) verbunden ist und daß der Querschnitt des Ventilsit­ zes (18) größer ist als der Querschnitt (44) des Übertragungsele­ ments (43) in der Dichtstelle (46), um einen wirksamen Ringquer­ schnitt am Ventilkegel (19) zu bilden.

5. Druckregelventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (16) als zylindrischer Kolben mit im Durchmesser gleichgroßen Stirnflächen ausgebildet ist, die jeweils an zum Rücklauf-Anschluß (27) entlastete Räume (25, 29) grenzen.

6. Druckregelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ventilkegel (19) anliegende Meßfeder (21) sich anderer­ seits an einem Federteller (54) abstützt, das vom Anker (33) des Magneten (12) entgegen der Kraft der Meßfeder (21) verstellbar ist, daß der Wegaufnehmer (52) zusätzlich zu dem den Hub des Ventilkegels (19) erfassenden ersten Spulensystem (37) ein zweites Spulensystem (55) zum Ermitteln des Hubes des Ankers (33) aufweist und daß der Ventilsitz (18) und/oder der Ventilkörper (53) gehäusefest angeord­ net ist.

7. Druckregelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulensysteme (37, 55) mit ihren zugeordneten, in einem Druckrohr (35) liegenden Aufnehmer-Kernen (36, 56) in Längs­ richtung des Druckrohres (35) hintereinander angeordnet sind und der Wegaufnehmer (52) ein dem exakten Weg der Meßfeder (21) proportiona­ les Signal an den Lageregelkreis (42) abgibt.

8. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anker (33) sich mit einem hülsenförmigen Stößel (34) an dem von der Meßfeder (21) belasteten Federteller (54) abstützt und auf seiner dem Stößel (34) entgegengesetzt liegenden Seite über ein Übertragungsglied (57) mit einem zweiten Kern (56) in Wirkverbindung steht, der dem zweiten Spulensystem (55) zugeordnet ist.

9. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (61) als Differentialtransforma­ tor mit Primär-, Sekundär- und Erregerspule (65, 66, 67) ausgebildet ist und die beiden Aufnehmer-Kerne als aufeinander verschiebbare Hülsen (62, 63) ausgebildet sind.