DE4311216A1

DE4311216A1 - Verstellen einer Druckwaage bzw. des hydraulischen Verstärkers eines Servoventils mittels Disk-Translator

Info

Publication number: DE4311216A1
Application number: DE19934311216
Authority: DE
Inventors: Anton Haumann
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: HAUMANN, ANTON, 71139 EHNINGEN, DE
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-10-06

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Servoventile und insbesondere auf eine Vorstufe (erste Stufe) eines vor zugsweise zweistufigen Servoventils, bei dem die zweite Stufe vorzugsweise einen federzentrierten Steuerkolben aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung eines Steuermotors und auch auf die Ausbildung eines hydraulischen Verstärkers insbesondere für ein Ser voventil.

Servoventile und deren Vorstufen wie auch die dabei ver wendeten Steuermotoren und hydraulischen Verstärker sind seit langem bekannt. Es sei beispielsweise auf den Hy drauliktrainer Band I der Firma Mannesmann Rexroth, Lohr sowie die DE OS 25 11 752 verwiesen.

Bei Servo- und Proportionalventilen werden im allgemeinen Spulenpermanentmagnetantriebe in einem Düsen-Prallplat tensystem verwendet. Der Antrieb für das Prallplattensy stem ist häufig in der Form eines Torque-Motors ausgebil det, der in bekannter in Fig. 1 gezeigter Weise ausgebil det ist. Im allgemeinen wird dabei ein sogenannter hy draulischer Verstärker und ein Düsen-Prallplattensystem verwendet, welches zwei Festdüsen und zwei Regeldüsen be sitzt. Durch das Auslenken der Prallplatte verändern sich die Abstände zu den Regeldüsen, so daß eine Druckdifferenz erzeugt wird, die auf die Stirnflächen des Hauptsteuer kolbens wirkt. Hierbei tritt in der Plattenmittelstellung eine verhältnismäßig hohe Leckage auf. Dies bedeutet eine hohe hydraulische Verlustleistung. Die hydraulische Verlustleistung kann in der Größenordnung von 300 bis 500 Watt liegen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Systems besteht darin, daß sich kein 100%iges Delta P ergibt mit der Folge daß die mögliche Dynamik beschränkt ist. Das bekannte System ist ferner insbesondere auch infolge seines mechanisch komplizierten Aufbaus störanfällig und teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde Mittel vorzusehen um insbesondere ein Servoven til anzu-steuern und zwar derart, daß die Leckage vermin dert wird. Ferner wird ein mechanisch einfacher Aufbau sowie die zur Verfügungstellung eines hohen Delta P ange strebt, um so eine hohe Dynamik zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen oder mehrere sogenannte Disk-Translatoren vor, die insbeson dere ein Düsen-Nadelsystem verstellen und zwar entspre chend einem elektrischen Eingangssignal, um so den an den Stirnflächen des Hauptsteuerkolbens anstehenden Druck zu regeln. Vorzugsweise sind zwei Düsen-Nadelsysteme vorge sehen, die diesen Druck auf den Stirnflächen des Haupt steuerkolbens regeln, indem der anstehende Systemdruck durch Öffnen in den Rücklauf geleitet wird. In der Ruhe stellung des Hauptsteuerkolbens sind die beiden Disk- Translatoren angesteuert und die Düsen-Nadelsysteme sind geschlossen, so daß keine hydraulische Verlustleistung entsteht. Für die statische Auslenkung des Translators ist dabei keine elektrische Leistung erforderlich, es muß lediglich eine Spannung anliegen.

Die Vorteile einer Disk-Translator Vorsteuerstufe sind zusammengefaßt insbesondere folgende:

- sehr geringe hydraulische Verlustleistung im dynami schen Betrieb
- vernachlässigbare hydraulische Verlustleistung im statischen Betrieb
- sehr hohe Dynamik des Ventils
- hohe Stellkräfte durch nahezu 100prozentiges Δp
- geringe elektrische Leistungsaufnahme im dynamischen Betrieb
- keine elektrische Leistungsaufnahme im statischen Betrieb
- alle Stellwege des Hauptsteuerkolbens realisierbar
- sehr hohe Auflösung des Ventils, da Piezostellglie der über eine unbegrenzte Auflösung verfügen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispie len anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch im Schnitt ein zweistufiges Druck- Servoventil gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Doppel-Disk-Transla tor gemäß Fig. 3;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Doppel-Disk-Translator gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische teilweise geschnittene Dar stellung eines ersten Ausführungsbeispieles ei nes Steuermotors mit hydraulischem Verstärker (Druckwaage) für ein Servoventil;

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, hier aber ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steuermotors mit hydraulischem Verstärker, wobei hier das Hauptventil nicht dargestellt ist;

Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 5 und zwar hier von einem dritten Ausführungsbei spiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein bekanntes im eingangs genannten Hydrau likrainer Band 1 gezeigtes Druck-Servoventil dargestellt. Es weist eine erste Stufe 1 und eine zweite einen Druckregelkolben 3 (Hauptkolben) enthaltende zweite Stufe 2 auf. Der Regelkolben 3 ist in einer Steuerhülse 4 ein gepaßt und er wird bei einem elektrischen Eingangssignal Null auf der linken gesamten Stirnfläche 5 und auf der gegenüberliegenden halben Stirnfläche 6 (Ringfläche) mit dem halben Steuerdruck beaufschlagt. Die noch verblei bende halbe Stirnfläche des Kolbens 3 ist mit dem zu re gelnden Anschluß A verbunden und dient als hydraulische Rückführung. Der Steuerkolben 3 verschiebt sich so weit nach rechts, bis der Druck in der Verbraucherleitung A den halben Systemdruck erreicht hat.

Mit dem Auslenken einer Prallplatte 7 sinkt oder steigt proportional der Verbraucherdruck bis der Kolben 3 wieder im Gleichgewicht ist. Die erste Stufe 1 weist einen durch das bereits genannte elektrische Eingangssignal zu erre genden Steuermotor 8 in der Form eines Torque-Motors auf, der die eingangs erwähnte Prallplatte 7 besitzt. Ferner ist ein hydraulischer Verstärker 9 vorgesehen, der in be kannter Weise zwei Regeldüsen 10 und 11 und zwei Festdü sen 12 und 13 verwendet. Die Prallplatte 7 kann bei Erre gung des Steuermotors 8 durch das elektrische Eingangssi gnal aus der in Fig. 1 gezeigten Position heraus entweder nach links zur Düse 10 hin oder nach rechts zur Düse 11 hin verschwenkt werden.

Die Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Er findung. Wie beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 ist hier auch eine zweite Stufe 2 in der Form eines Hauptventils vorgesehen. Das Hauptventil 2 besitzt die bereits erwähn ten mit 3, 4 und 6 bezeichneten Bauteile.

Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung 20 aus Steuer motormitteln und Druckwaage bzw. hydraulischen Verstär kermitteln vorgesehen. Die Steuervorrichtung 20 legt ein Drucksignal Delta PL an mit C1 und C2 bezeichnete Ein gänge des Hauptventils 2 an. Die Steuervorrichtung 20 selbst wird durch ein elektrisches Eingangssignal S ange steuert, welches in nicht näher gezeigter Weise an die Steuervorrichtung 20 angelegt wird. Das Steuersignal s wird durch eine Ansteuerelektronik 21 erzeugt, die in der dargestellten Weise in einen geschlossenen Regelkreis verwendet. Dieser nimmt einmal Information über die Lage eines Steuerelements des Steuermotors auf und empfängt der zum anderen Information über eine gewünschte Schalt stellung des Hauptventils 2. Im einzelnen sind zu diesem Zweck die hintereinander geschalteten Komponenten: Lage aufnehmer 22, Lagerregler 23, Meßverstärker 24, Filter 25 und Fehlerverstärker 26 vorgesehen. Wegen ihrer Bekannt heit kann auf eine ins einzelne gehende Beschreibung und Funktion dieser Bauteile verzichtet werden.

Was nun die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit Druck waage oder hydraulischem Verstärker anlangt, so sind zu nächst ganz allgemein sozusagen als Steuermotor piezzo elektrische Elemente vorzugsweise Disk-Translatoren vor gesehen, die mit einem Druckmedium zusammenarbeiten, um entsprechend dem angelegten Steuersignal S mehr oder we niger Druckmittel der einen oder anderen Seite des Haupt kolbens 3 zuzuführen.

Im einzelnen sieht dabei die Erfindung in einem schema tisch bei 27 gezeigten Gehäuse eine Längsbohrung 28 vor, in der ein Kolben 29 mit drei Stegen 30 bis 33 hin und her bewegbar angeordnet ist. Mit dieser Längsbohrung 28 stehen Anschlüsse 34, 35, 36 und 37 einerseits, sowie die Anschlüsse C1 und C2 andererseits in Verbindung. Je nach Lage des Kolbens 29 werden die entsprechenden Verbindun gen hergestellt. Der Kolben 29 steht über eine Verlän gerung 38, mit dem Lageaufnehmer 22 in Verbindung um die sen über die jeweilige Position des Kolbens 29 zu infor mieren.

Mit der Längsbohrung 28 stehen beidseitig Kanäle 39, 40 in Verbindung, die ihrerseits in Kanälen 43, 44 enden. Der Kanal 43 hat einen Anschluß 41, an dem der Druck P_S anliegt. Der Kanal 44 hat einen Anschluß 42, an dem der Druck P_S anliegt. Die beiden Kanäle 43, 44 laufen aufein ander zu und enden im Bereich eines Raumes 45 im Gehäuse 27, der mit einem Tank 47 (T) in Verbindung steht.

Den Druckmittelfluß im Kanal 43 kann man von 0 bis zu ei nem Maximalwert verändern, und zwar durch einen Disk- Translator 50, der in geeigneter Weise an einem statio nären Bauteil 52 befestigt ist. In ähnlicher Weise ist ein Disk-Translator 51 ebenfalls an einem stationären Bauteil 52 vorgesehen um den Druckmittelfluß im Kanal 44 zwischen 0 und einem Maximalwert verändern zu können.

Ein Disk-Translator 50, 51 an sich ist im einzelnen Fig. 2 und 3 dargestellt und zwar hier in der bevorzugten, so genannten Doppelscheiben- oder Doppeldiskbauart, die einen größeren Stellweg ermöglicht.

Vorzugsweise arbeiten erfindungsgemäß die Disk-Translato ren 50 und 51 mit einem sogenannten Düsen-Nadelsystem zu sammen, welches dann seinerseits den Druckmittelfluß in den Kanälen 43 und 44 verändert. Dies ist in Fig. 4 sche matisch dargestellt. In Fig. 3 erkennt man noch den elek trischen Anschluß 54 für den Scheibentranslator 50, 51. An diesen wird das elektrische Steuersignal S in geeigne ter Weise angelegt. Wenn, wie gezeigt, zwei Disk-Transla toren 50, 51 vorgesehen sind, wird das Steuersignal S in der entsprechenden Weise für die Anlage an diese Transla toren aufbereitet.

Fig. 4 zeigt also zwei Disk-Translatoren 50, 51 zur Verstellung der Druckwaage. Für das Verschließen einer Düse mit Durchmesser 1 mm wird eine Kraft von 30 N bei 300 bar benötigt, die ein Disk-Translator in jeden Fall erzeugt.

Durch die Verwendung von zwei Translatoren 50, 51 wird die Konstruktion aufwendiger und die Baugröße nimmt zu. Der Vorteil liegt jedoch in der Anwendung von Doppel- Disk-Translatoren, die durch ihren Stellweg bis 200 µm das Düsen-Nadelsystem sehr weit öffnen können.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist aus Gründen der Einfachheit die zweite Stufe 2 nicht darge stellt und im übrigen werden weitgehend die gleichen Be zugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 verwendet, so daß eine erneute Beschreibung insofern hier nicht notwendig ist.

Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ein Doppeldisk translator zwischen den beiden Ende der Kanäle 43, 44 vorgesehen. Sogenannte Nadel- und Tellersitze 61, 62 wer den gebildet zwischen den beiden Translatorseiten und den Kanälen 43, 44 wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist.

Im einzelnen ist bei dem Doppeldisktranslator 60 auf der einen Seite ein Nadel-/Tellersitz 61 und auf der anderen Seite ein Nadel-/Tellersitz 62 vorgesehen. Dann, wenn der Doppeldisktranslator seine Maximalposition einnimmt, sind die entsprechenden Sitze verschlossen, was im angeregten Zustand der Fall sein wird.

Fig. 5 zeigt also die Anordnung eines Doppel-Disk-Trans lators, dessen beide Keramikschichten getrennt angesteu ert werden. Die Vorteile dieser Lösung liegen im einfa chen Aufbau und der geringen kompakten Anordnung. Die benötigten Stellkräfte werden auch hier erreicht.

In Fig. 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin dung dargestellt, welches dem gemäß Fig. 4 ähnelt, wobei hier anstelle der Disktranslatoren 50, 51 (wie in Fig. 4 gezeigt), Mehrfach-Disktranslatoren 70, 71 verwendet wer den. Es handelt sich hier um zwei Stapeltranslatoren mit Gewindeendstücken (wie bekannt und in Prospekten beschrieben), die geeignet gedichtet in das Ventil gegen die Regeldüsen eingeschraubt und mittels eines Feststellringes fixiert werden. Stapeltranslatoren verfügen über sehr hohe Stellkräfte. Dies ermöglicht den Einsatz sehr großer Regeldüsendurchmesser. Der Vorteil liegt vor allem in einfachen mechanischen Aufbau und der einfachen Justage am Prüfstand.

Zur Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiele sei folgendes bemerkt: Bei jedem der Ausführungs beispiele wird vorzugsweise mit Hilfe eines oder mehrerer Disktranslatoren ein Düsen-Nadelsystem verstellt. Beide Düsen-Nadelsysteme dienen zur Regelung des Drucks auf den Stirnflächen des Hauptsteuerkolbens 3, in dem der anste hende Systemdruck durch Öffnen in den Rücklauf geleitet wird. In der Ruhestellung des Hauptsteuerkolbens 3 sind beide Disktranslatoren angesteuert, die Düsen-Nadelsy steme geschlossen und es entsteht somit keine hydrauli sche Verlustleistung. Für die statische Auslenkung des Translators ist keine elektrische Leistung erforderlich, es muß lediglich Spannung anliegen.

Um den Hauptsteuerkolben 3 auszulenken, ist es erforder lich nur ein Düsen-Nadelsystem zu öffnen. D. h. nur bei einer Veränderung der Hauptsteuerkolbenposition des Ven tils kommt es zu einer hydraulischen Verlustleistung und zum Verbrauch elektrischer Energie, die bei Piezzostell gliedern sehr klein ist. Die Ansteuerung der Stellglieder muß über einen geschlossenen Regelkreis erfolgen.

Um Hysterese-Effekte zu minimieren sollte die am Transla tor angebracht Nadel wegen der Reibung nicht gedichtet werden. Die wegen der Fläche des Translators wirkenden Kräfte durch mögliche Druckspitzen im Rücklauf müssen kompensiert werden. Der Druck muß über sehr große Öffnun gen auch im Inneren des Disktranslators wirksam sein, da mit sich äußere und innere Kräfte aufheben.

Durch die hohe Dynamik eines Disktranslators (1-3 kHz) und das in dieser Anordnung erzeugte hohe Delta P ergibt sich eine sehr hohe Gesamtdynamik des Ventils.

Claims

1. Verfahren zum Verstellen der Druckwaage bzw. einer Steuervorrichtung insbesondere eines Servoventils, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Ver stellbewegung durch einen Disk-Translator aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Disk-Translator ein Doppel-Disk-Translator ist.

3. Servoventil mit einer Steuervorrichtung zur Beein flussung eines hydraulischen Druckmittels welches beidseitig an einen Kolben angelegt wird der ent weder als Druckwaage oder als Ventilkolben arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß Disk-Translatormittel vorgesehen sind um die an den Kolben angelegte Druckdifferenz zu steuern.

4. Elektrofluidischer Wandler insbesondere nach dem Dü sen-Prallplattenprinzip für elektrisch steuerbare Ventile mit stetiger oder digitaler Verstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung ein Disk-Translator, vorzugsweise ein Doppel-Disk- Translator ist.

5. Wandler nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Biegewandler vorgesehen sind, deren beide Ke ramikschichten getrennt angesteuert werden wobei in einer Kolbenzwischenstellung beide Regeldüsen durch Aufwölben des Scheibenzentrum verschließbar sind.

6. Wandler nach Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeich net, daß das verschließbare Element nicht an eine Formgebung gebunden ist, wobei aber vorzugsweise ein Tellersitzelement verwendet wird, welches sich durch gute Durchflußeigenschaften und geringe Baugröße auszeichnet und ferner größere Fertigungstoleranzen zuläßt und die Möglichkeit des Ausgleichs von Fluchtungsfehlern vorsieht.

7. Wandler insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine piezzoelektrische oder eine elektrostruktive Einrichtung ist, die ihren durch eine zugeführte Stellspannung hervorgerufenen Formänderung im Sinne einer Verstellung auf die verstellbaren Elemente wirkt.

8. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die verstell baren Elemente an keine Form gebunden sind, vorzugs weise aber tellerförmig ausgebildet sind, und daß ferner vorzugsweise in Prallplattenmittelstellung die geringste Leckage auftritt.

9. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Stellele ment in einer Brückenschaltung bestehend aus zwei Festdrosseln und zwei variablen Drosseln arbeitet.

10. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die piezzo elektrische Antriebseinrichtung mit einem Meßauf nehmer zur Verminderung von Hysterese und Tempera turdriftauswirkungen (beispielsweise in der Form von Dehnmeßstreifen) versehen ist.

11. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Meßauf nehmer Bestandteil eines elektrischen Regelkreises ist, wobei vorzugsweise die dazugehörige Regelelek tronik in einem den Wandler aufnehmenden Gehäuse integriert ist.

12. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Wandler gesteuerte Stetigventil einen Hauptkolben schieber mit elektrischer Lagerregelung enthält.

13. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als die Vorsteuerstufe in einem Stetigventil zur indirekten Beeinflussung fluidischer Leistungsströme dient.

14. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler zur direkten Beeinflussung fluidischer Leistungs ströme dient.