EP0471884B1

EP0471884B1 - Elektrohydraulisches Servoventil

Info

Publication number: EP0471884B1
Application number: EP19900116279
Authority: EP
Inventors: Herbert Handte
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1996-02-21
Anticipated expiration: 2010-08-24
Also published as: JPH0626501A; US5165448A; DE59010152D1; EP0471884A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrohydraulisches Servoventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiges Ventil ist allgemein bekannter Stand der Technik.
Bei elektrohydraulischen Ventilen unterscheidet man zwischen Proportionalventilen und Servoventilen. Während Proportionalventile für kleinere Druckdifferenzen für den Nenndurchfluß von bis zu 10 bar ausgelegt sind, sind Servoventile für hohe Druckdifferenzen bis zu 70 bar dimensioniert. Servoventile werden ausschließlich in geregelten Antrieben benutzt und Proportionalventile verwendet man nur in gesteuerten Antrieben. Aus diesem Grunde weisen Proportionalventile eine positive Überdeckung auf, nicht aber Servoventile, von denen man eine exakt definierte Lage verlangt (siehe Druckschrift "Ölhydraulik und Pneumatik, 33 (1989) Nr. 10 "Neue Stetigventile zum Steuern und Regeln von Plastverarbeitungsmaschinen", Seiten 786 bis 789). Die den Proportionalventilen eigene positive Überdeckung ist notwendig, um sicherzustellen, daß das Ventil in Nullstellung nicht leckt, was in einem gesteuerten Antrieb dazu führen würde, daß sich der Antrieb auch bei Nullstellung in ungewollter Weise mehr oder weniger langsam in die eine oder andere Richtung bewegen würde. Diese Gefahr besteht nicht bei geregelten Antrieben, da dort eine Signalrückführung aus dem Antrieb vorgesehen ist, die den Leckstrom dadurch ausgleicht, daß das Mittel der Leckströme in den beiden Kanälen zu Null ausgeregelt wird, also ein Leckstrom im "AUF-Kanal" durch einen anschließenden Leckstrom im "AB-Kanal" ausgeglichen wird. Nachteilig daran aber ist, daß das Servoventil beim Abschalten notwendigerweise einen Leckstrom aufweist und der Antrieb nicht stillsteht.
Aus der Druckschrift VDI-Zeitschrift, Band 128 (1986) Nr. 7, "Stetige Richtungssteuerung", Seiten 235 bis 238 ist ein Proportionalventil (mit positiver Überdeckung) bekannt, das mit einer elektrischen Kompensationsschaltung versehen ist, mit der die positive Überdeckung unterdrückt werden kann. Damit wird erreicht, daß beim schnellen Durchlaufen des Nullpunkts des Ventils der ansonsten auftretende kurze Stillstand des Antriebs nicht eintritt. Die Kompensationsschaltung muß aber abschaltbar sein, um in einer länger andauernden Nullage einen Stillstand zu erreichen. Man ist also gezwungen, darauf zu achten, daß die Kompensationsschaltung, wenn der schnelle Nulldurchgang nicht mehr erforderlich ist, sicher abgeschaltet wird, die Kompensationsschaltung also vorübergehend nur dann eingeschaltet wird, wenn dieser schnelle Nulldurchgang gefordert wird.
Aus der FR-A- 24 39 920 ist ein Proportionalventil bekannt, bei dem die beiden Steuerkammern über einen Bypaßkanal und ein darin liegendes Ventil verbindbar sind, um den Steuerkolben im stromlosen Zustand des Ventils in die Nullage zu bringen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrohydraulisches Servoventil anzugeben, bei dem im stromlosen Zustand des ventils ein sicherer Stillstand einer daran angeschlossenen Anlage erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es über einen Umweg dennoch möglich ist, bei einem Servoventil in Nullstellung einen Leckstrom zu unterbinden, indem man das Servoventil, welches üblicherweise keine Überdeckung aufweist, dennoch mit einer Überdeckung versieht und diese Überdeckung durch eine elektrische Kompensationsschaltung ausgleicht. Außerdem wird über den Bypaßkanal erreicht, daß sich der Steuerkolben bei stromlosem Ventil zwangsweise in die sichere Nullstellung bewegt.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird das Servoventil anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.

Fig. 1: zeigt ein Schnittbild eines servoventils zweistufiger Bauart;
Fig. 2: zeigt eine bevorzugte Ausführung der Kompensationsschaltung.
Fig. 3: zeigt den Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung der Kompensationsschaltung.

Das servoventil weist einen Zylinder 1 mit einem mittigen Druckeinlaßkanal 2, zwei in axialer Richtung versetzt angeordnete Druckauslaßkanäle 3 und 4 sowie einen Rückführkanal 5, der mit dem Versorgungstank verbunden ist, auf.
In dem Zylinder 1 ist zwischen zwei Treiberkolben 22 ein Steuerkolben 6 gelagert. Die Stirnflächen 7 der Treiberkolben 22 können über die Steuerkammern 9 und 10 mit einem Steuerdruck in axialer Richtung beaufschlagt werden. An dem Steuerkolben sind jeweils über den beiden Druckauslaßkanälen 3 bzw. 4 ein Paar Kolbenringe 11 ausgebildet. Der Steuerkolben besitzt zwischen den Kolbenringen 11 ringförmige Ausnehmungen, damit die hydraulische Flüssigkeit den Kolben besser umfließen kann. In den gegenüber stehenden Abschnitten der Zylinderwand sind entsprechende (ringförmige) Kammern ausgebildet. Der Druck auf die Kolbenringe 11 wirkt daher auf den gesamten Umfang der Kolbenfläche. Die beiden Druckauslaßkanäle 3, 4 besitzen einen Durchmesser a, welcher der Dicke der ringförmigen Kammern entspreche. Die beiden Kolbenringe 11 besitzen einen Abstand in axialer Richtung voneinander derart, daß die Gesamtdicke D der beiden Kolbenringe größer ist als die Dicke der ringförmigen Kammern a bzw, der Durchmesser der Druckauslaßöffnungen 3 bzw. 4 an der Zylinderwandinnenseite. Die Hälfte der Differenz zwischen der Gesamtdicke D und der Dicke der ringförmigen Kammern bzw. dem Durchmesser der Druckauslaßkanäle a soll die positive Überdeckung x definieren. Die maximale Auslenkung des Steuerkolbens 6 aus der Ruhestellung soll mit y bezeichnet werden.
Die druckfreien Außenräume des Zylinders 1 stehen über eine Ausgleichsleitung 12 und den gemeinsamen Rückführkanal 5 miteinander in Verbindung.
Der Steuerkolben 6 ist in axialer Richtung über zwei Federn 8, die ebenfalls auf die Stirnflächen 7 der Treiberkolben 22 wirken, in der Nullstellung mittig zentriert im Ventilgehäuse gelagert. Mit dem Steuerkolben 6 ist in axialer Verlängerung ein elektrischer Lageaufnehmer 13 verbunden, der über einen aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Lageregelkreis 20 auf einen Torquemotor 14 rückgekoppelt ist. Lageregelkreis und Kompensationsschaltung 21 gemäß der Erfindung befinden sich in einem elektrisch isolierten Teil des Ventilgehäuses. Der Anker 15 des Torquemotors 14 wirkt direkt auf die Prallplatte 16 eines Düse 17-Prallplatte 16-Systems.
Die Steuerräume 9 und 10 weisen einen Bypasskanal 18 und ein in diesem Kanal liegendes elektrisch zu betätigendes Ventil 19 auf, um bei geöffnetem Ventil miteinander verbunden zu werden.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Kompensationsschaltung dargestellt. Die Schaltung besteht aus einem invertierenden Verstärker mit einem Eingangswiderstand R und einer Rückkopplungsschaltung, bestehend aus drei Rückkopplungszweigen, die auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers rückwirken. Einer dieser Rückkopplungszweige besteht lediglich aus einem einstellbaren ohmschen Widerstand R₃, die beiden anderen jeweils aus der Serienschaltung einer einstellbaren Spannungsquelle U₁ bzw. U₂, einer Diode D₁ und D₂ und einem einstellbaren Widerstand R₁ bzw. R₂. Die Dioden D₁ bzw. D₂ sind in bezug auf die Polaritäten der Spannungsquellen U₁ bzw. U₂ in Sperrichtung geschaltet.
Nimmt man ideale Bauteile an, so gelten folgende Zusammenhänge zwischen Ausgangs (U_A)- und Eingangsspannung (U_E):

U_A = - U_E . R₃/R für U₁ < U_A < U₂

U_A = - U_E . R₁/R für U_A < U₁ und R₃ >>R₁

U_A = - U_E . R₂/R für U_A > U₂ und R₃ >> R₂
In Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen dem Eingangsund dem Ausgangssignal graphisch dargestellt. Der Graph ist abschnittsweise durch die obenangegebenen Gleichungen definiert.
Die Steigungen der geraden Abschnitte werden durch die Verhältnisse der Rückkopplungswiderstände R₁ , R₂, und R₃ zum Eingangswiderstand R bestimmt. Je geringer das Verhältnis, desto flacher verläuft der jeweilige Geradenabschnitt.
Maßgebend für die Lage der Knickpunkte der Nichtlinearität sind die variablen Spannungsquellen U₁ und U₂. Ein Erhöhen bzw. Erniedrigen der Spannung verschiebt den jeweiligen Knickpunkt in Richtung der positiven bzw. negativen Y-Achse des Diagramms in Fig. 3. Der Rückführkanal mit dem Widerstand R₃, der immer wirksam ist, wird in Abhängigkeit vom Ausgangssignal in der oben angegebenen Weise parallel entweder zum Widerstand R₁ oder R₂ geschaltet.
Bereits ein sehr kleines positives Signal am Eingang der Kompensationsschaltung erzeugt an dessen Ausgang ein Signal der Amplitude U₁. Dieses Signal verschiebt den Steuerkolben um die Auslenkung (x) aus seiner Ruhelage heraus. Dadurch beginnt sich der Druckauslaßkanal 4 bei einer weiteren Erhöhung des Eingangssignals sofort zu öffnen. Von diesem Knickpunkt an besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem elektrischen Stellsignal und dem Durchfluß durch das Ventil.
Der gleiche Vorgang geschieht in umgekehrter Weise für ein negatives Signal am Eingang der Kompensationsschaltung und dem Druckauslaßkanal 3. Dabei entsprechen sich die Knickpunkte der elektrischen Nichtlinearität (Fig. 3) und die der durch die positive Überdeckung entstandene nichtlineare Ventilkennlinie. Das bedeutet aber praktisch nichts anderes als ein lineares Verhalten des Ventils nach außen hin. Der Totbandbereich wird quasi "übersprungen", ohne den Durchfluß durch das Ventil abzusperren. Damit zeigt das Ventil nach außen hin über den gesamten Arbeitsbereich lineares Verhalten.
Öffnet sich bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr das im Bypasskanal 18 liegende Ventil 19, werden die Steuerkammern 9, 10 hydraulisch kurzgeschlossen. Dadurch gleicht sich ein bestehender Druckunterschied in den Steuerkammern sofort aus und die Rückstellfedern 8 verschieben den Steuerkolben 6 in den Bereich positiver Überdeckung. Hier ist der absolute sichere Stillstand des Verbrauchers gewährleistet, da keine Leckströme im Überdeckungsbereich auftreten können. Damit wird dem Sicherheitsbedürfnis Rechnung getragen.

Claims

Elektrohydraulisches Servoventil, wobei das Servoventil einen Zylinder (1) und einen darin gelagerten Steuerkolben (6) aufweist, und der Steuerkolben auf seinen beiden Stirnseiten (7) in druckbeaufschlagbaren Steuerkammern (9, 10) liegt, um den Kolben (6) bei einem Druckunterschied in diesen beiden Steuerkammern (9, 10) aus seiner neutralen Stellung auszulenken, wobei der Zylinder einen mittigen Druckeinlaßkanal (2) und zwei in axialer Richtung versetzt angeordnete Druckauslaßkanäle (3, 4) aufweist, die durch den Steuerkolben (6) verschlossen sind, wenn er sich in seiner neutralen Lage befindet und bei ausgelenktem Steuerkolben (6) teilweise bis ganz geöffnet werden, um einen von der Lage des Steuerkolbens abhängigen Durchlaßquerschnitt zwischen einem der Druckauslaßkanäle (3, 4) und dem Druckeinlaßkanal (2) freizugeben, wobei der Druckunterschied in den Steuerkammern (9, 10) durch ein elektrische Stellsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (6) derart ausgebildet ist, daß er die Druckauslaßkanäle (3, 4) erst bei einer vorgegebenen axialen Auslenkung (x) aus seiner neutralen Stellung zu öffnen beginnt (positive Überdeckung), und daß zum Ausgleich der durch die positive Überdeckung entstandenen Nichtlinearität zwischen dem elektrischen Steuersignal und der Auslenkung des Steuerkolbens (6) eine elektrische Kompensationsschaltung (21) vorgesehen ist, und daß die beiden Steuerkammern (9, 10) über einen Bypaßkanal (18) miteinander zum Druckausgleich über ein in dem Kanal liegendes elektrisch zu betätigendes Ventil (19) verbindbar sind und das Ventil (19) derart ausgebildet ist, daß es im stromlosen Zustand öffnet.
Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene axiale Auslenkung (x) vorzugsweise 10% des maximalen Stellweges (y) beträgt.
Servoventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kompensationsschaltung (21) in das Ventilgehäuse integriert ist.
Servoventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kompensationsschaltung (21) wenigstens einen Operationsverstärker aufweist, daß der Operationsverstärker mit einer Rückkoppelschaltung versehen ist, die ihm eine Nichtlinearität verleiht, die die durch die positive Überdeckung entstandende Nichtlinearität ausgleicht.