EP1254316A1 - Steuervorrichtung für einen hydraulischen stellmotor - Google Patents

Steuervorrichtung für einen hydraulischen stellmotor

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EP1254316A1
EP1254316A1 EP01900472A EP01900472A EP1254316A1 EP 1254316 A1 EP1254316 A1 EP 1254316A1 EP 01900472 A EP01900472 A EP 01900472A EP 01900472 A EP01900472 A EP 01900472A EP 1254316 A1 EP1254316 A1 EP 1254316A1
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valve
control device
piston
pressure chamber
controlled
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JÖrg Linser
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ZF Lenksysteme GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a control device according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • An electrohydraulic control device for a hydraulic servomotor for controlling a volume flow is known from DE 196 34 319 AI.
  • This electrohydraulic control device is designed as a 4/2 valve module and has a shut-off valve arranged in a housing, the movable seat valve body of which is connected in a connection between a motor chamber and a return chamber and protects the motor chamber.
  • a proportional solenoid with armature-actuated tappet for actuating the check valve and an unlocking element sliding in the housing are arranged coaxially with the seat valve body.
  • the unlocking element is designed as a longitudinal slide, which controls the connection between an inlet chamber and a second motor chamber with a control edge, the second motor chamber being arranged in the slide bore of the longitudinal slide.
  • the longitudinal slide has essentially the same diameter as the poppet valve body.
  • the electro-hydraulic control device described in DE 196 34 319 AI has the disadvantage that it consists of many small, nested components, which is accurate in terms of manufacturing and assembly Availability places high demands and at the same time has an increased susceptibility to faults due to contamination.
  • the present invention has for its object to provide a control device that is simple in construction, works reliably and can be manufactured without great manufacturing effort.
  • control device can be used for various applications and can easily be adapted to changing requirements.
  • it can be used for a hydraulic servomotor, regardless of whether its actuation works according to the closed or open center principle.
  • the invention enables a modular structure of the electrohydraulic control device, in particular, so that many parts can be used repeatedly, which brings considerable advantages with respect to production and assembly costs. Because of the simple Standard seals can be used which do not place high demands on the components with regard to tolerances and surface quality. In addition, the use of special materials can be dispensed with, which is advantageous in terms of heat and surface treatment. At the same time, a high degree of flexibility is retained for various applications. A particularly safe function is ensured by the fact that no moving parts are assembled into one another. If the control device according to the invention is used for a hydraulic servomotor, it can be controlled according to the principle of the open or the closed center.
  • the actively controlled valve has an adjustable throttle point, which can be actively controlled by a throttle needle.
  • the actuating force that regulates the throttle point can mechanically, electrically, electromagnetically, hydraulically or pneumatically.
  • the pistons have special sealing elements that, in addition to their sealing function, can also take on bearing properties. They are preferably made of resistant and low-wear materials, such as Teflon.
  • At least one bore is integrated in the piston of the actively controlled valve, which serves to supply pressure medium to a pressure chamber, which is connected to the passive valve via a line. The bore can be arranged so that system pressure of the pistons is pressed against the housing, the bore in the piston is closed to prevent leakage.
  • the single figure shows a control device according to the invention, which controls a hydraulic servomotor.
  • a piston 12 loaded with a spring 11 is mounted in the bore 5 so as to be axially movable.
  • the piston 12 has a stepped outer diameter.
  • a sealing element 13 in the piston 12 separates the bore 5 into two pressure spaces 14, 15. At the same time, the sealing element 13 also serves for low-friction guidance of the piston 12.
  • the spring 11 is supported on a disk-shaped element 16 that is fixedly connected to the housing 4.
  • the disc-shaped element 16 has a throttle point 17, which with a throttle needle 18 axially displaceable by an actuating force cooperates and thus enables a change in volume flow.
  • the throttle needle 18 is pushed into the throttle point 17.
  • the pressure medium must now flow through a bore 19 arranged in the piston 12, as a result of which a pressure build-up in the pressure chamber 14 occurs due to the smaller flow cross section of the throttle point 17. From a defined pressure in the pressure chamber 14 there is a balance of forces between the pressure forces acting on the end faces 20 and 21.
  • the spring 11 also has the task of pushing the piston 12 into the neutral position against the housing 4 in such a way that throttling the volume flow of the pressure medium in an annular gap 22 can result in a predetermined pressure difference, which occurs when a throttling effect occurs at the throttling point 17 Pressing force on the end face 21 of the piston 12, which overcomes the friction of the sealing element 13.
  • the piston 12 moves in the direction of the inlet bore 3 due to the force of the spring 11.
  • the annular gap 22, which lies between the housing 4 and the end face 20 narrows.
  • the pressure of the pressure medium in the inlet bore 3 increases.
  • the amount of the actuating force on the throttle needle 18 corresponds to the pressure of the pressure medium in the pressure chamber 14, which in turn corresponds to the pressure of the pressure medium in the inlet bore 3. This results in a proportionality between the actuating force acting on the throttle needle 18 and the pressure of the pressure medium which is established in the inlet bore 3.
  • the pressure medium flowing through the throttle point 17 flows through a further pressure chamber 24 and via a line 23 back to the tank.
  • a white Other piston 27 which is loaded by a spring 26.
  • the spring 26 is also supported here on a disk-shaped element 28.
  • a throttle needle 29 closes a throttle point 30, whereby an annular gap 31 is closed.
  • the pressure medium flows through a bore 32 into one
  • the piston 36 which is loaded by a spring 37, closes an annular gap 38, so that the pressure medium is conducted via a line 39 to a pressure chamber 40 of a hydraulic servomotor 41.
  • a piston 42 of the hydraulic servomotor 41 is displaced and the pressure medium is passed on from a second pressure chamber 43 via a line 44 to the line 10 in the housing 4.
  • the pressure medium can flow out to the tank 2 via an open annular gap 45, which is formed between the housing 4 and a piston 46 axially displaceable in the bore 8 and loaded by a spring 47.
  • a pressure chamber 50 which is formed by the housing 4 and the piston 46 pressure-loaded by a spring 47, is operatively connected to the pressure chamber 14 via a line 25.
  • An actively controlled valve 48 thus also controls a passive valve 49 at the same time.
  • a bore 52 can additionally be provided in the piston 46 of the passive valve 49 in order to return the pressure medium to the pressure chamber 14.

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Abstract

Steuervorrichtung für einen hydraulischen Stellmotor (41) mit mindestens einem, durch eine Stellkraft aktiv gesteuerten Ventil (48), und mindestens einem, mit dem aktiv gesteuerten Ventil (48) in Wirkverbindung stehenden passiven Ventil (49), das über eine Leitung (25) mitgesteuert wird.

Description

STEUERVORRICHTUNG FÜR EINEN HYDRAULISCHEN STELLMOTOR
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Eine elektrohydraulische Steuervorrichtung für einen hydraulischen Stellmotor zur Steuerung eines Volumenstromes ist aus der DE 196 34 319 AI bekannt. Diese elektrohydrau- lische Steuervorrichtung ist als 4/2-Ventilmodul ausgebildet und weist ein in einem Gehäuse angeordnetes Sperrventil auf, dessen beweglicher Sitzventilkörper in eine Verbindung zwischen einer Motorkammer und einer Rücklaufkammer geschaltet ist und die Motorkammer absichert. Ein Proportio- nalmagnet mit ankerbetätigtem Stößel zum Betätigen des Sperrventils und ein im Gehäuse gleitend ausgeführtes Entsperrglied sind mit dem Sitzventilkörper gleichachsig zueinander angeordnet. Das Entsperrglied ist als Längsschieber ausgebildet, der mit einer Steuerkante die Verbin- düng zwischen einer Zulaufkammer und einer zweiten Motorkammer steuert, wobei die zweite Motorkammer in der Schieberbohrung des Längsschiebers angeordnet ist. Der Längsschieber weist im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf wie der Sitzventilkörper. Bei Betätigung durch den Propor- tionalmagneten werden beide Verbindungen gleichsinnig angesteuert .
Die in der DE 196 34 319 AI beschriebene elektrohydraulische Steuervorrichtung weist den Nachteil auf, daß sie aus vielen, kleinen ineinander verschachtelten Bauteilen besteht, was in bezug auf Fertigungs- und Montagegenau lgkeit hohe Anforderungen stellt und gleichzeitig eine erhöhte Störanfälligkeit durch Verschmutzungen aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Steuereinrichtung darzustellen, die einfach aufgebaut ist, zuverlässig arbeitet und ohne großen Fertigungsaufwand hergestellt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende, gattungsgemaße Steuereinrichtung gelost.
Durch die Erfindung kann e ne mengenunabhangige Funktion sichergestellt werden. Die erfindungsgemaße Steueremrich- tung ist für verschiedene Anwendungsfalle verwendbar und leicht an geänderte Anforderungen angepassbar. Sie kann beispielsweise für einen hydraulischen Stellmotor eingesetzt werden, unabhängig davon, ob dessen Ansteuerung nach dem Prinzip der geschlossenen oder der offenen Mitte funk- tioniert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind n den Unteranspruchen beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die Merkmaiskombinationen der An- spruche beschrankt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann weitere sinnvolle Kombmationsmoglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.
Die Erfindung ermöglicht einen modularen Aufbau der insbesondere elektrohydraulischen Steuereinrichtung, so dass viele Teile mehrfach verwendet werden können, was bez glich Fertigungs- und Montageaufwand erhebliche Vorteile bringt. Durch den einfachen Aufbau können Standardabdichtungen verwendet werden, die bezuglich Toleranzen und Oberflachengüte keine hohen Anforderungen an die Bauteile stellen. Zusatzlich kann auf die Verwendung von besonderen Werkstoffen verzichtet wer- den, was hinsichtlich Warme- und Oberflachenbehandlung von Vorteil ist. Gleichzeitig bleibt eine hohe Flexibilität für verschiedene Anwendungsfalle erhalten. Eine besonders sichere Funktion wird dadurch gewahrleistet, daß keine beweglichen Teile ineinander montiert werden. Wird die erfin- dungsgemaße Steuereinrichtung für einen hydraulischen Stellmotor verwendet, so kann dieser nach dem Prinzip der offenen oder der geschlossenen Mitte angesteuert werden.
Eine erfindungsgemaße Steuervorrichtung für einen hydraulischen Stellmotor weist mindestens e n, durch eine Stellkraft aktiv gesteuertes Ventil auf, das einen ersten, in einem Gehäuse axial beweglich gelagerten und durch eine Feder belasteten Kolben mit ge- stuften Durchmessern aufweist, der einen ersten Druckraum mit einem, eine Drosselstelle aufweisenden, insbesondere scheibenförmigen Element bildet. Weiterhin weist eine solche Steuereinrichtung mindestens ein, mit dem aktiv gesteuerten Ventil in Wirkverbindung stehendes passives Ventil auf, das einen zweiten, in dem Gehäuse axial beweglich gelagerten und durch eine Feder belasteten Kolben mit gestuften Durchmessern aufweist, der mit dem Gehäuse einen zweiten Druckraum bildet. Diese beiden Druckraume stehen über eine Leitung in Wirkverbindung, so daß das aktiv ge- steuerte Ventil das passive Ventil mitsteuert. Das aktiv gesteuerte Ventil weist eine einstellbare Drosselstelle auf, die aktiv durch eine Drosselnadel geregelt werden kann. Die Stellkraft, die die Drosselstelle regelt, kann mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch aufgebracht werden. Die Kolben weisen spezielle Dichtelemente auf, die neben ihrer Dichtungsfunktion auch Lagereigenschaften übernehmen können. Sie sind vorzugsweise aus widerstandsfähigen und verschleißarmen Werkstoffen, wie beispielsweise Teflon, hergestellt. In dem Kolben des aktiv gesteuerten Ventils ist mindestens eine Bohrung integriert, die der Zufuhrung von Druckmedium in einen Druckraum dient, der ber eine Leitung mit dem passiven Ventil verbunden ist. Die Bohrung kann so angeordnet werden, daß Systemdruck der Kolben gegen das Gehäuse gedruckt wird, die Bohrung in dem Kolben verschlossen wird, um Leckagen zu vermeiden.
Nachfolgend ist anhand einer Figur ein Ausfuhrungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung pnnzipgemaß beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemaße Steuereinrichtung, die einen hydraulischen Stellmotor steuert.
Ein von einer Pumpe 1 aus einem Tank 2 gefordertes Druckmedium fließt durch eine Zulaufbohrung 3 in ein Gehäuse 4, das mehrere Bohrungen 5, 6, 7, 8 aufweist, die ber Leitungen 9, 10 verbunden sind. In der Bohrung 5 ist ein mit ei- ner Feder 11 belasteter Kolben 12 axial beweglich gelagert Der Kolben 12 weist einen gestuften Außendurchmesser auf. Ein Dichtelement 13 im Kolben 12 trennt die Bohrung 5 in zwei Druckraume 14, 15. Das Dichtelement 13 dient gleichzeitig noch zur reibungsarmen Fuhrung des Kolbens 12. Die Feder 11 stutzt sich an einem, fest mit dem Gehäuse 4 verbundenen, scheibenförmigen Element 16 ab. Das scheibenförmige Element 16 weist eine Drosselstelle 17 auf, die mit einer durch eine Stellkraft axial verschiebbare Drosselnadel 18 zusammenwirkt und somit eine Volumenstromanderung ermöglicht. Soll beispielsweise der Volumenstrom in der Zulaufbohrung 3 reduziert oder unterbrochen werden, wird die Drosselnadel 18 in die Drosselstelle 17 hineingeschoben. Das Druckmedium muß nun durch eine in dem Kolben 12 angeordnete Bohrung 19 fließen, wodurch es, aufgrund des geringeren Durchlaufquerschnitts der Drosselstelle 17, zu einem Druckaufbau in dem Druckraum 14 kommt. Ab einem definierten Druck im Druckraum 14 ergibt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den auf Stirnflachen 20 und 21 wirkenden Druckkräfte. Die Feder 11 hat weiterhin zur Aufgabe, den Kolben 12 in Neutralstellung so gegen das Gehäuse 4 zu schieben, daß durch Drosselung des Volumenstroms des Druckmedi- ums in einem Ringspalt 22 eine vorbestimmte Druckdifferenz entstehen kann, die bei Eintreten eines Drosseleffektes an der Drosselstelle 17 eine Druckkraft auf der Stirnflache 21 des Kolbens 12 bewirkt, die die Reibung des Dichtelementes 13 überwindet. Bei Erreichen des Kräftegleichgewichtes bewegt sich der Kolben 12 durch die Kraft der Feder 11 in Richtung Zulaufbohrung 3. Dadurch verengt sich der Ringspalt 22, der zwischen dem Gehäuse 4 und der Stirnflache 20 liegt. Als Folge erhöht sich der Druck des Druckmediums in der Zulaufbohrung 3. Die Stellkraft an der Dros- selnadel 18 entspricht in ihrem Betrag dem Druck des Druckmediums im Druckraum 14, der wiederum dem Druck des Druckmediums in der Zulaufbohrung 3 entspricht. Daraus ergibt sich eine Proportionalität zwischen der an der Drosselnadel 18 wirkenden Stellkraft und dem sich in der Zulaufboh- rung 3 einstellenden Druck des Druckmediums. Das durch die Drosselstelle 17 fließende Druckmedium fließt durch einen weiteren Druckraum 24 und über eine Leitung 23 zur ck zum Tank. In der Bohrung 6 im Gehäuse 4 befindet sich ein wei- terer, durch eine Feder 26 druckbelasteter Kolben 27. Die Feder 26 stützt sich auch hier an einem scheibenförmigen Element 28 ab. Eine Drosselnadel 29 verschließt eine Drosselstelle 30, wodurch ein Ringspalt 31 verschlossen wird. Das Druckmedium strömt durch eine Bohrung 32 in einen
Druckraum 33 und von dort weiter über eine Leitung 34 in einen Druckraum 35, der von einem in der Bohrung 7 axial verschiebbaren Kolben 36 und dem Gehäuse 4 gebildet wird. Der durch eine Feder 37 druckbelastete Kolben 36 ver- schließt einen Ringspalt 38, so daß das Druckmedium über eine Leitung 39 zu einem Druckraum 40 eines hydraulischen Stellmotors 41 geleitet wird. Ein Kolben 42 des hydraulischen Stellmotors 41 wird verschoben und das Druckmedium aus einem zweiten Druckraum 43 über eine Leitung 44 an die Leitung 10 im Gehäuse 4 weitergeleitet. Das Druckmedium kann über einen offenen Ringspalt 45, der zwischen dem Gehäuse 4 und einem in der Bohrung 8 axial verschiebbaren, durch eine Feder 47 belasteten Kolben 46 entsteht, zum Tank 2 abfließen. Ein Druckraum 50, der von dem Gehäuse 4 und dem durch eine Feder 47 druckbelasteten Kolben 46 gebildet wird, steht über eine Leitung 25 mit dem Druckraum 14 in Wirkverbindung. Ein aktiv gesteuertes Ventil 48 steuert somit gleichzeitig noch ein passives Ventil 49. In einer erweiterten Funktionsvariante kann in dem Kolben 46 des passiven Ventils 49 zusätzlich eine Bohrung 52 vorgesehen werden, um das Druckmedium in den Druckraum 14 zurückzuführen. Bezugszeichen
1 Pumpe 31 Ringspalt
2 Tank 32 Bohrung
3 Zulaufbohrung 33 Druckraum
4 Gehäuse 34 Leitung
5 Bohrung 35 Druckraum
6 Bohrung 36 Kolben
7 Bohrung 37 Feder
8 Bohrung 38 Ringspalt
9 Leitung 39 Leitung
10 Leitung 40 Druckraum
11 Feder 41 hydraulischer
12 Kolben Stellmotor
13 Dichtelement 42 Kolben
14 Druckraum 43 Druckraum
15 Druckraum 44 Leitung
16 scheibenförmiges Element 45 Ringspalt
17 Drosselstelle 46 Kolben
18 Drosselnadel 47 Feder
19 Bohrung 48 Ventil
20 Stirnfläche 49 Ventil
21 Stirflache 50 Druckraum
21 Stirnfläche 51 Dichtelement
22 Ringspalt 52 Bohrung
23 Leitung
24 Druckraum
25 Leitung
26 Feder
27 Kolben
28 scheibenförmiges Element
29 Drosselnadel
30 Drosselstelle

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Steuervorrichtung für einen hydraulischen Stellmo- tor (41) mit zwei Ventilen (48, 49), die jeweils axial beweglich gelagerte, durch Federn (11, 47) belastete Kolben
(12, 46) mit gestuften Durchmessern aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (48) durch eine Stellkraft steuer- bar ist und sein Kolben (12) mit einem, eine Drosselstelle (17) aufweisenden Element (16) in einem Gehäuse (4) einen ersten Druckraum (14) bildet, dass der Kolben (46) des zweiten Ventils (49) mit dem Gehäuse (4) einen zweiten Druckraum (50) bildet, der mit dem ersten Druckraum (14) über eine Leitung (25) in hydraulischer Verbindung steht, derart, dass das zweite Ventil (49) durch das erste Ventils (48) mitsteuerbar ist.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet , daß das erste Ventil (48) über eine Dros¬ selstelle (17) mit Drosselnadel (18) steuerbar ist.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stellkraft mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch erzeugbar ist.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kolben (12, 46) Dichtelemente (13, 51) aufweisen, die gleichzeitig zur Abdichtung und zur Lagerung dienen.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben (12) des ersten Ventils (48) und/oder der Kolben (46) des zweiten Ventils (49) eine
Bohrung (19 bzw. 52) aufweist, die der Zuführung von Druck- medium zum jeweiligen Druckraum (14 bzw. 50) dient.
6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen (19 bzw. 52) in den Kolben (12 bzw.46) so angeordnet sind, daß dann, wenn die Kol- ben (12 bzw. 46) gegen das Gehäuse (4) gedrückt sind, die Bohrungen (19 bzw. 52) verschlossen sind, um Leckagen zu vermeiden .
7. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Zulauf (3) für ein hydraulisches Druckmedium und einem Tank (2) zwei Leitungswege (9, 10) parallel zueinander vorgesehen sind, dass in Richtung der im Betrieb auftretenden Strömung des Druckmediums gesehen in beiden Leitungswegen zunächst jeweils ein steuerndes Ventil nach Art des ersten Ventils (48) vorgesehen ist, dem jeweils ein mitgesteuertes Ventil nach Art des zweiten Ventils (49) folgt, und dass jeweils das in einem der Leitungswege angeordnete mitgesteuerte Ventil (49) von dem steuernden Ventil (48) des anderen Leitungsweges mitgesteuert ist.
EP20010900472 2000-02-11 2001-01-20 Steuervorrichtung für einen hydraulischen stellmotor Expired - Lifetime EP1254316B1 (de)

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DE10006141 2000-02-11
PCT/EP2001/000628 WO2001059305A1 (de) 2000-02-11 2001-01-20 Steuervorrichtung für einen hydraulischen stellmotor

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US (1) US6712091B2 (de)
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