EP0636796B1

EP0636796B1 - Hydraulischer Verstärker, insbesondere für Steuerventile

Info

Publication number: EP0636796B1
Application number: EP19930112185
Authority: EP
Inventors: Anton Haumann
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: DE59305886D1; EP0636796A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Verstärker, insbesondere für Steuerventile, Servo- oder Proportionalventile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Servo- und Proportionalventile bekannt. Diese Steuerventile bestehen im wesentlichen aus einem Steuerkolben sowie einem elektromechanischen Antrieb, der über eine hydraulische Vorsteuerstufe einen Steuerdruck für den Steuerkolben erzeugt. Im Betrieb des Steuerventils erzeugt der Antrieb auf ein elektrisches Steuersignal hin ein mechanisches Moment für die Vorsteuerstufe. In der Vorsteuerstufe wird das mechanische Moment in einen in seiner Richtung veränderlichen Flüssigkeitsstrahl umgesetzt (siehe z.B. GB-A-2 030 325).
Diese hydraulischen Verstärker arbeiten nach dem sogenannten Strahlablenkprinzip. Dabei wird der Flüssigkeitsstrahl auf zwei Empfängeröffnungen gerichtet, die jeweils über eine Verbindungsleitung mit den Stirnseiten des Steuerkolbens verbunden sind. Wenn der Flüssigkeitsstrahl gleichmäßig auf beide Empfängeröffnungen gerichtet ist, bewirkt er einen gleichen Steuerdruck an beiden Stirnseiten des Steuerkolbens. Ändert sich dagegen der Strahl in seiner Richtung, so daß eine der beiden Empfängeröffnungen einem größeren Strahldruck ausgesetzt wird, so erhöht sich der Steuerdruck an der mit dieser Öffnung verbundenen Stirnseite des Steuerkolbens. Die andere Empfängeröffnung erfährt dagegen einen geringeren Strahldruck, wodurch sich der Steuerdruck auf der anderen Stirnseite erniedrigt. Die auf diese Weise entstehende Druckdifferenz bewegt den Steuerkolben in eine gewünschte Richtung. Gleichzeitig strömt Hydraulikflüssigkeit aus der anderen Empfängeröffnung über eine Rücklaufleitung zurück in einen Versorgungstank.
In einer Ausführung des hydraulischen Verstärkers ist der elektromechanische Antrieb mit einem bewegbaren Anker versehen, der mit einem Strahlrohr des hydraulischen Verstärkers fest verbunden ist. Im Inneren des Strahlrohrs befindet sich eine Düse, aus der Hydraulikflüssigkeit unter Betriebsdruck ausströmt. Eine Auslenkung des Ankers überträgt sich direkt auf die Düse des Strahlrohrs, wodurch der austretende Flüssigkeitsstrahl in seiner Richtung verändert wird.
In einer anderen Ausführung des hydraulischen Verstärkers tritt der Flüssigkeitsstrahl aus einer ortfesten Düse aus und wird durch ein nachgeschaltetes Strahlablenkelement in seiner Richtung verändert. Dabei wirkt das mechanische Moment des Antriebs auf das bewegliche Strahlablenkelement, das beispielsweise in der Mitte eine geeignet konstruierte Öffnung besitzt, durch die der Strahl hindurchtreten kann, wodurch der Flüssigkeitsstrahl sein Richtungsänderung erfährt.
Es wird bei den bekannten, in Steuerventilen verwendeten Hydraulikverstärkern als nachteilig angesehen, daß in der Neutralstellung des Ventils, bei der sich der Steuerkolben in der Null-Stellung befindet, kontinuierlich Hydraulikflüssigkeit durch die Rücklaufleitung in den Versorgungstank zurückfließt. Dadurch entsteht eine hydraulische Verlustleistung, die je nach Betriebsdruck zwischen 300 und 400 Watt betragen kann.
Darüber hinaus treten bei den bekannten Hydraulikverstärkern durch die Strömungsverteilung der Hydraulikflüsigkeit Kräfte auf, wodurch die Vorsteuerstufe zu Instabilitäten neigt. Bei einem instabilen Verhalten des Verstärkers ist es insbesondere schwierig, das Steuerventil in der Neutralstellung genau zu positionieren. Für den Fall, daß der hydraulische Verstärker so konstruiert ist, daß er eine federnde Rückstelleinrichtung für das Strahlablenkelement oder das Strahlrohr aufweist, wird diese durch die auftretenden Schwingungen stark belastet, was zu einem Ermüdungsbruch und damit zu einem vollständigen Ausfall der Vorsteuerstufe führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Verstärker anzugeben, bei der die hydraulische Verlustleistung gering ist und ein stabiles Betriebsverhalten zeigt.
Diese Aufgabe wird von einem hydraulischen Verstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker ist die Rücklauföffnung so angeordnet, daß sie in Abhängigkeit von der Stellung der Strahlablenkeinrichtung eine variable Drosselstelle für die zurückströmende Hydraulikflüssigkeit bildet. Bei einem so ausgebildeten Verstärker variiert die Größe der Rücklauföffnung in Abhängigkeit von dem Betriebsverhalten des Verstärkers. Dies ist insofern vorteilhaft, daß in der Neutralstellung des Ventils die Rücklauföffnung klein gehalten werden kann, wodurch sich die hydraulischen Verluste verringern. Darüber hinaus verbessert sich die Stabilität des Verstärkers durch eine Drosselstelle, deren Größe an das Betriebsverhalten des Ventils angepaßt ist. Schließlich besitzt die variable Drosselstelle den Vorteil, saß sie selbstreinigend ist, d.h. eventuell in der Hydraulikflüssigkeit vorhandene Schmutzpartikel können bei einer in der Größe variablen Rücklauföffnung ungehindert abströmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verstärkers ist die Rücklauföffnung seitlich neben der Strahlablenkeinrichtung derart angeordnet, daß dadurch unmittelbar die variable Drosselstelle ausgebildet ist. Bei dieser Konstruktionsweise besitzt die Strahlablenkeinrichtung gleichzeitig die Funktion einer Drosselklappe.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verstärkers ist die Rücklauföffnung im wesentlichen planar zu der Ebene angeordnet, in der die Strahlablenkeinrichtung bewegt wird. Bei einer solchen Anordnung der Rücklauföffnung ergeben sich günstige Strömungsverhältnisse für die Hydraulikflüssigkeit, welche sich stabilisierend auf den Verstärker auswirken.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verstärkers weist die Strahlablenkeinrichtung in denjenigen Bereichen, die einer Rücklauföffnung gegenüberstehen, ebene Flächen auf. Die ebenen Flächen der Strahlablenkeinrichtung verringern den Durchfluß durch die Drosselstelle, wodurch die hydraulische Verlustleistung in der Neutralstellung noch geringer ist.
Vorzugsweise sind in dem Verstärker zwei Rücklauföffnungen einander gegenüber angeordnet, derart, daß die Strahlablenkeinrichtung zwischen den Öffnungen bewegbar ist. Diese symmetrische Anordnung der Rücklauföffnungen bewirkt besonders günstige Strömungsverhältnisse in dem Verstärker, wodurch sich deren Stabilität im Betrieb weiter verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verstärkers ist die Strahlablenkeinrichtung als ein verschwenkbares Strahlrohr mit einer darin gelagerten Strahldüse ausgeführt.
In einer dazu alternativen Ausführungsform ist die Strahlablenkeinrichtung als eine ortsfeste Düse mit einem nachgeschalteten bewegbaren Ablenkelement ausgebildet.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen schrieben. Es zeigen:

Fig.1: eine schematische Darstellung des hydraulischen Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig.2: ein Schnittbild durch den in Fig. 1 dargestellten hydraulischen Verstärker entlang der Linie B-B; und
Fig.3: eine vergrößerte schnittbildliche Ansicht entlang der in Fig. 1 gezeichneten Linie A-A des Verstärkers nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist der hydraulische Verstärker 3 nach der Erfindung ein mit dem Anker des (nicht dargestellten) Antriebs verbundenes Strahlrohr 6 auf, in dessen Inneren eine Düse 8 gelagert ist. Das Strahlrohr bzw. die Düse sind auf einen Empfänger 4 mit zwei Empfängeröffnungen 5 gerichtet, die über Steuerleitungen 7 mit den Stirnflächen des Steuerkolbens eines Steuerventils in Verbindung stehen. Wie aus der Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind seitlich neben dem unteren Ende des Strahlrohrs zwei sich gegenüberstehende Rücklaufdüsen 10 angeordnet, deren jeweilige Rücklauföffnungen 9 dem Strahlrohr 6 zugewandt sind. Die Rücklaufdüsen verlaufen im wesentlichen quer zur axialen Richtung des Strahlrohrs. Das Strahlrohr ist in etwa mittig zwischen den beiden Rücklaufdüsen 10 angeordnet. Das Strahlrohr 6 bildet zusammen mit der Rücklaufdüse 10 eine Drosselstelle, die in Abhängigkeit von der Stellung des Strahlrohrs variabel ist.
Im folgenden soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verstärkers erläutert werden. Zunächst befindet sich das Strahlrohr in seiner Neutralstellung, die in allen Figuren dargestellt ist. Dem Strahlrohr wird über eine nicht dargestellte Versorgungsleitung Hydraulikflüssigkeit mit einem geeigneten Betriebsdruck zugeführt. Dadurch tritt aus der Düse 8 des Strahlrohrs ein Flüssigkeitsstrahl aus, der gleichmäßig auf die Empfängeröffnungen 5 gerichtet ist. Der resultierende Steuerdruck auf die beiden Stirnflächen des Steuerventils ist daher gleich. Die Drosselstellen, welche sich zwischen dem Strahlrohr 6 und den Öffnungen 9 der Rücklaufdüsen 10 ausbilden, sind in der Neutralstellung relativ klein. Daher fließt nur eine geringe Menge Flüssigkeit durch die beiden Drosselstellen, wodurch die hydraulische Verlustleistung klein ist. Bedingt durch die geringe abströmende Menge Flüssigkeit steigt der Druck in den Steuerleitungen 7 an. Dies wiederum erhöht den gleichmäßigen Steuerdruck (Zentrierdruck) für die Stirnflächen des Steuerkolbens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker ist durch die kleine Drosselstelle in der Neutralstellung sowohl die durch die Rücklaufdüsen abströmende Flüssigkeitsmenge und damit die Verlustleistung deutlich herabgesetzt und gleichzeitig der Steuerdruck, welcher den Steuerkolben in der Null-Stellung zentriert, erhöht. Dadurch werden Instabilitäten und Schwingungen des Systems weitgehend vermieden.
Auf ein geeignetes Steuersignal hin bewegt der Antrieb das Strahlrohr 6 in eine der beiden Richtungen, die durch Pfeile in den Figuren 1 und 3 dargestellt sind. Dadurch richtet sich der aus der Düse 8 austretende Flüssigkeitsstrahl auf eine der beiden Empfängeröffnungen 5. Dies hat zur Folge, daß der Steuerdruck auf derjenigen Stirnfläche des Steuerkolbens, die mit dieser Empfängeröffnung verbunden ist, zunimmt, wodurch sich der Steuerkolben verschiebt. Gleichzeitig strömt aus der anderen Empfängeröffnung Flüssigkeit aus, die über die Rücklaufleitungen dem Versorgungstank zufließen muß. Durch die Bewegung des Strahlrohrs hat sich die Drosselstelle zwischen dem äußeren Umfang des Strahlrohrs 6 und den Rücklauföffnungen 9 vergrößert. Daher kann die aus der anderen Empfängeröffnung ausströmende Flüssigkeit leicht über die Rücklaufdüsen in Richtung des Versorgungstanks zurückströmen. Folglich ist die in der ausgelenkten Stellung des Strahlrohrs durch den Verstärker fließende Hydraulikflüssigkeit (Nutzfluß) gegenüber der Leckage in der Neutralstellung wesentlich erhöht. Die dadurch veränderten Strömungsverhältnisse der Hydraulikflüssigkeit verbessern das Stabilitätsverhalten des Verstärkers in der ausgelenkten Stellung des Strahlrohrs.
Im weiteren soll der selbstreinigende Effekt des hydraulischen Verstärkers kurz erläutert werden. Schmutzpartikel, die eventuell in der Hydraulikflüssigkeit enthalten sind, sammeln sich in der Neutralstellung des Verstärkers um die Drosselstelle herum an. Sobald das Strahlrohr 6 in eine der beiden Richtungen ausgelenkt wird, können die Partikel durch die sich vergrößernde Drosselstelle in die Rücklaufdüsen eindringen und in Richtung des Versorgungstanks abströmen.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bei einem Verstärker erfindungsgemäß vorgesehene variable Drosselstelle die Strömungsverhältnisse der Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Verstärkers verbessert. Dadurch verringert sich die hydraulische Verlustleistung in der Neutralstellung und die Stabilität des Verstärkers ist im gesamten Betriebsbereich erhöht.
Eine nicht in den Zeichnungen dargestellte alternative Ausführungsform der Strahlablenkeinrichtung umfaßt eine ortsfeste Düse und ein nachgeschaltetes Ablenkelement. Das bewegbare Ablenkelement kann beispielsweise aus einer Platte mit einer Durchgangsbohrung für den abzulenkenden Flüssigkeitsstrahl bestehen. Das Verschieben der Platte verändert den durchtretenden Flüssigkeitsstrahl in seiner Richtung auf eine der beiden Empfangsöffnungen und bewirkt gleichzeitig ein Öffnen und Schließen der Rücklauföffnungen, so daß der hydraulische Verstärker im wesentlichen genauso funktioniert wie die anhand der Zeichnungen oben beschriebene Ausführungsform.
Weiterhin ist es vorstellbar, die Strahlablenkeinrichtung (Strahlrohr gemäß der ersten Ausführungsform oder plattenförmiges Ablenkelement gemäß der zweiten Ausführungsform) an den Bereichen, an denen die Einrichtung einer Rücklauföffnung gegenübersteht mit ebenen Flächen zu versehen. Dadurch können die Rücklauföffnungen nahezu verschlossen werden, wodurch die Leckage in der Neutralstellung des Verstärkers weiter verringert werden kann.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen hydraulischen Verstärkers ist nicht auf die Verwendung als Vorsteuerstufe bei einem Steuerventil beschränkt. Vielmehr kann der Verstärker selbst als Servoventil ohne Steuerkolben Verwendung finden, wobei er die fluidischen Leistungsströme direkt beeinflußt.

Claims

Hydraulischer Verstärker (3), insbesondere für Steuerventile, mit einer bewegbaren Strahlablenkeinrichtung (6, 8), die die Richtung eines auf wenigstens zwei Empfängeröffnungen (5) gerichteten Steuerstrahls verändert und wenigstens einer Rücklauföffnung (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauföffnung so angeordnet ist, daß sie in Abhängigkeit von der Stellung der Strahlablenkeinrichtung (6, 8) eine variable Drosselstelle für die zurückströmende Hydraulikflüssigkeit bildet.
Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauföffnung (9) seitlich neben der Strahlablenkeinrichtung (6, 8) angeordnet ist, derart, daß diese zusammen mit der Öffnung die variable Drosselstelle bildet.
Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauföffnung (9) im wesentlichen senkrecht zu der Ebene angeordnet ist, in der die Strahlablenkeinrichtung (6, 8) bewegt wird.
Hydraulischer Verstärker nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung (6, 8) in den Bereichen, die einer Rücklauföffnung (9) gegenüberstehen, zylindrisch ist oder ebene Flächen aufweist.
Hydraulischer Verstärker nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rücklauföffnungen (9) einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Strahlablenkeinrichtung (6, 8) zwischen den Öffnungen bewegbar ist.
Hydraulischer Verstärker nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung als ein verschwenkbares Strahlrohr (6) mit einer darin gelagerten Düse (8) ausgeführt ist.
Hydraulischer Verstärker nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung als eine ortsfeste Düse mit einem nachgeschalteten bewegbaren Ablenkelement ausgeführt ist.