WO2010060577A1 - Ventilanordnung mit ventil und einem sensor - Google Patents

Ventilanordnung mit ventil und einem sensor Download PDF

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Christian Fack
Roland Schempp
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K37/00—Special means in or on valves or other cut-off apparatus for indicating or recording operation thereof, or for enabling an alarm to be given
    • F16K37/0025—Electrical or magnetic means
    • F16K37/0041—Electrical or magnetic means for measuring valve parameters
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F7/00—Magnets
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    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • Valve arrangement with valve and a sensor
  • the invention relates to a valve arrangement with a sensor for determining a switching position according to the preamble of patent claim 1.
  • a switching position of a valve spool by means of an evaluation of current or voltage curves, for example, a valve spool adjusting lifting magnet can be determined. Since characteristic curves of current or voltages are often not pronounced, the determination of the switching position is difficult and requires high device-technical effort.
  • Another way to determine the switching position can be done via a built-in valve displacement sensor to determine the displacement of the valve spool.
  • the disadvantage here is that the displacement sensor for proper function should be largely separated from pressure medium, which requires a high density in the valve.
  • the invention has for its object to provide a cost-effective valve with a shift position determination.
  • a valve has a sensor for detecting at least one valve sound signal.
  • the position of a valve spool and / or a stop position can be easily detected acoustically.
  • a very characteristic valve sound signal which can be detected by the sensor can be the meeting of two valve elements which are movable relative to one another.
  • the senor is a low cost piezoelectric sensor.
  • this has an actuating magnet with an armature as a first valve element for displacing a valve spool, and a stop pin for the armature as a second valve element.
  • the actuating magnet has a magnetic pot
  • the bottom of the pot points away from the anchor and the stop pin is supported approximately centrally on the bottom of the pot.
  • the sensor is then simply arranged on the stopper pin repellent outer pot bottom side and thus easily attachable outside of the valve. Further, the sensor is not in contact with a hydraulic fluid of the valve.
  • the bottom of the pot may be designed to be membrane-like for transmitting a valve sound signal generated when the armature hits the stop pin.
  • the valve can be designed as a seat valve. It is conceivable that the sensor is inserted in a valve with an adjustable stop.
  • the sensor may, for example, be a knock sensor customary in internal combustion engines.
  • the single figure discloses in a longitudinal section a solenoid 2 and actuating magnet for a valve, not shown, according to one embodiment.
  • a sensor 3 is arranged, which serves for the detection of valve sound signals to determine the switching position of the valve.
  • the solenoid 2 has a housing 4 with a left in the figure slide opening 6 passed through an unillustrated valve spool and is firmly connected to a recorded in the housing 4 flat armature 8 or anchor and this leads.
  • the valve spool is inserted into a hollow cylindrical receptacle 10 of the flat armature 8.
  • a disk part 12 with a disk surface 14 remote from the valve slide is formed on the flat armature 8. This extends approximately perpendicular to the longitudinal axis 16 of the lifting magnet 2 and points towards a magnet pot 18 fixed in the housing 4 with a magnet coil 20.
  • the magnet pot 18 has on a side remote from the flat armature 8 a pot bottom 22 which defines a substantially cylindrical TopfausNFung 24 whose longitudinal axis extends approximately along the longitudinal axis 16 of the solenoid 2.
  • a stop pin 26 is immersed in the TopfausEnglishung 24 and is located with a first end face 28 on the pot bottom 22 approximately.
  • An end portion 30 with a second end face 32 projects from the TopfausEnglishung 24 and is partially slidably or firmly received in a bore 34 of the flat armature 8.
  • the displacement of the flat armature 8 is limited in the figure to the right by striking a bore base 36 of the bore 34 on the second end face 32 of the stop pin 26.
  • a stop pin 26 sections embracing spring 37 is supported on the pot bottom 22 via a ring 38 and biases the flat armature 8 and the valve spool, not shown, to a valve seat in the figure to the left.
  • the spring 37 bears against the flat armature 8 against a contact surface radially stepped back from the bore 34.
  • the ring 38 is formed such that the stopper pin 26 is immersed in it and stored.
  • the magnet coil 20 is inserted into the magnet pot 18 and is contacted via two terminals 40 passed through the pot bottom 22.
  • the bushings of the connections are sealed and insulated by sealing rings 42 and insulating sleeves 44.
  • the magnet pot 18 is also sealed by a sealing ring 46 to the outside.
  • a cylindrical housing having sensor 3 is fixed.
  • This may be, for example, a knock sensor used in internal combustion engines.
  • the sensor 3 is connected to a sensor cable 50.
  • the terminals 40 of the magnetic coil 20 and the sensor cable 50 are thus spatially together, which greatly simplifies the cable routing.
  • the flat armature 8 When energizing the solenoid coil 20, the flat armature 8 is moved by a magnetic field with a magnetic force in the figure to the right, thereby biasing the spring 37. A limited of the disc surface 14 of the flat armature 8 and the magnetic cup 18 air gap 52 is thereby reduced until the Bore bottom 36 of the bore 34 on the second end face 32 of the stop pin 26th strikes. The impact force is transmitted via the stop pin 26 on the pot bottom 22, which has a smaller thickness and is elastically deformed by the stop force, whereby a valve or structure-borne sound signal is generated, which detects the sensor 3 arranged directly on the bottom of the pot.
  • the pot bottom 22 thus has the function of a membrane.
  • the sensor 3 may be a structure-borne sound sensor, which is designed as a piezoelectric sensor 3 and can detect, for example, longitudinal waves.
  • the valve sound signal generated by the pot bottom 22 is then detected by the sensor 3 as a switching signal of the valve, whereby a switching position of the valve is easily determined.
  • the sensor 3 detects the elastic deformation of the pot bottom 22 by the deformation acting as a compressive force for a piezoelectric element in the sensor 3.
  • the sensor 3 has a seismic mass, which is in operative connection with the pot bottom 22 and is accelerated in a deformation of the pot bottom 22, whereby the sensor 3 detects a switching position of the valve.
  • Strain gauges could also serve as a sensor 3, which also determine the deformation of the pot bottom 22.
  • Such a sensor 3 can also be used in seat valves.
  • a sound signal is detected upon impact of the biased by a spring seat member on a valve seat.
  • an adjustable stop at a valve may be provided with the sensor 3.
  • a valve is shown in the data sheet RD 21010 / 03.05 of the Applicant on pages 58 and 59.
  • Disclosed is a hydraulic valve arrangement with a sensor which measures a valve sound signal for detecting a switching position of a valve.

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  • Magnetically Actuated Valves (AREA)

Abstract

Offenbart ist eine hydraulische Ventilanordnung mit einem Sensor, der zum Erfassen einer Schaltstellung eines Ventils ein Ventilschallsignal misst.

Description

Ventilanordnung mit Ventil und einem Sensor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit einem Sensor zur Bestimmung einer Schaltposition gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei hydraulischen Ventilen, insbesondere hydraulischen Schaltventilen, ist eine Schaltstellung eines Ventilschiebers mittels einer Auswertung von Strom- bzw. Spannungsverläufen beispielsweise eines den Ventilschieber verstellenden Hubmagneten ermittelbar. Da charakteristische Verläufe von Strom bzw. Spannungen oft nicht ausgeprägt sind, ist die Bestimmung der Schaltstellung schwierig und bedarf hohen vorrichtungstechnischen Aufwands.
Eine weitere Möglichkeit zum Feststellen der Schaltstellung kann über einen im Ventil integrierten Wegsensor zur Ermittlung des Verschiebewegs des Ventilschiebers erfolgen. Nachteilig hierbei ist, dass der Wegsensor zur einwandfreien Funktion weitestgehend von Druckmittel getrennt sein sollte, was einen hohen Dichtaufwand im Ventil erfordert.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Ventil mit einer Schaltstellungsbestimmung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Ventilanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1. Erfindungsgemäß weist ein Ventil einen Sensor, zum Erfassen von zumindest einem Ventilschallsignal auf. Somit kann die Stellung eines Ventilschiebers und/oder eine Anschlagsposition einfach akustisch erfasst werden.
Ein sehr charakteristisches von dem Sensor erfassbares Ventilschallsignal kann das Aufeinandertreffen zweier relativ zueinander beweglicher Ventilelemente sein.
Vorzugsweise ist der Sensor ein kostengünstiger piezoelektrischer Sensor.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils, hat dieses einen Betätigungsmagneten mit einem Anker als erstes Ventilelement zum Verschieben eines Ventilschiebers, und einen Anschlagstift für den Anker als zweites Ventilelement. Mit dieser üblichen Anordnung eines Betätigungsmagήeten kann einfach ein vom Sensor erfassbares Ventilschallsignal erzeugt werden.
Von Vorteil ist, wenn der Betätigungsmagnet einen Magnettopf hat, dessen Topfboden vom Anker weg weist und der Anschlagstift sich in etwa mittig am Topfboden abstützt. Der Sensor ist dann einfach auf der dem Anschlagstift abweisenden äußeren Topfbodenseite angeordnet und somit außerhalb des Ventils einfach anbringbar. Ferner ist der Sensor nicht in Kontakt mit einer Hydraulikflüssigkeit des Ventils.
Der Topfboden kann zum Übertragen eines beim Aufschlagen des Ankers auf den Anschlagstift erzeugten Ventilschallsignals membranartig ausgebildet sein.
Da die Anschlüsse für die im Magnettopf eingebrachte Magnetspule durch den Topfboden hindurchgeführt und benachbart zu einem Sensorkabel des Sensors verlaufen ist die Kabelführung sehr vereinfacht.
Das Ventil kann als Sitzventil ausgebildet sein. Es ist denkbar, dass der Sensor bei einem Ventil mit einem justierbaren Anschlag eingesetzt ist.
Der Sensor kann beispielsweise ein bei Verbrennungsmotoren üblicher Klopfsensor sein.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einzigen schematischen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in einer schematischen Darstellung einen Hubmagneten mit einem Sensor für ein Ventil gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die einzige Figur offenbart in einem Längsschnitt einen Hubmagneten 2 bzw. Betätigungsmagneten für ein nicht dargestelltes Ventil gemäß einem Ausführungsbeispiel. An dem Hubmagneten 2 ist ein Sensor 3 angeordnet, der zur Erfassung von Ventilschallsignalen dient, um die Schaltstellung des Ventils zu ermitteln.
Der Hubmagnet 2 hat ein Gehäuse 4 mit einer in der Figur linken Schieberöffnung 6 durch das ein nicht dargestellter Ventilschieber hindurchgeführt und mit einem in dem Gehäuse 4 aufgenommenen Flachanker 8 bzw. Anker fest verbunden ist und diesen führt. Der Ventilschieber ist in eine hohlzylindrische Aufnahme 10 des Flachankers 8 eingesetzt. Im Anschluss an die Aufnahme 10 ist am Flachanker 8 ein Scheibenteil 12 mit einer vom Ventilschieber abgewandten Scheibenfläche 14 ausgebildet. Diese erstreckt sich in etwa senkrecht zur Längsachse 16 des Hubmagneten 2 und weist hin zu einem in dem Gehäuse 4 fixierten Magnettopf 18 mit einer Magnetspule 20.
Der Magnettopf 18 hat auf einer vom Flachanker 8 entfernten Seite einen Topfboden 22, der eine im Wesentlichen zylindrische Topfausnehmung 24 begrenzt, deren Längsachse sich etwa entlang der Längsachse 16 des Hubmagneten 2 erstreckt. Ein Anschlagstift 26 ist in der Topfausnehmung 24 eingetaucht und liegt mit einer ersten Stirnseite 28 an dem Topfboden 22 etwa an. Ein Endabschnitt 30 mit einer zweiten Stirnseite 32 kragt aus der Topfausnehmung 24 aus und ist abschnittsweise in einer Bohrung 34 des Flachankers 8 gleitend oder auch fest aufgenommen. Der Verschiebeweg des Flachankers 8 ist in der Figur nach rechts durch Anschlagen eines Bohrungsgrunds 36 der Bohrung 34 auf die zweite Stirnseite 32 des Anschlagstifts 26 begrenzt.
Eine den Anschlagstift 26 abschnittsweise umgreifende Feder 37 stützt sich am Topfboden 22 über einen Ring 38 ab und spannt den Flachanker 8 und den nicht dargestellten Ventilschieber an einem Ventilsitz in der Figur nach links vor. Hierbei liegt die Feder 37 an dem Flachanker 8 an einer von der Bohrung 34 radial zurückgestufter Anlagefläche an. Der Ring 38 ist derart ausgebildet, dass der Anschlagstift 26 in diesen eingetaucht und gelagert ist.
Die Magnetspule 20 ist in den Magnettopf 18 eingesetzt und wird über zwei durch den Topfboden 22 hindurchgeführten Anschlüssen 40 kontaktiert. Die Durchführungen der Anschlüsse sind durch Dichtringe 42 und Isolierhülsen 44 abgedichtet und isoliert. Der Magnettopf 18 ist ebenfalls über einen Dichtring 46 nach außen hin abgedichtet.
An einer von dem Anschlagstift 26 abweisenden Außenfläche 48 des Topfbodens 22 ist der etwa ein zylindrisches Gehäuse aufweisende Sensor 3 fixiert. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen wie bei Verbrennungsmotoren eingesetzten Klopfsensor handeln. Der Sensor 3 ist mit einem Sensorkabel 50 verbunden. Die Anschlüsse 40 der Magnetspule 20 und das Sensorkabel 50 liegen somit räumlich zusammen, was die Kabelführung stark vereinfacht.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Ventils mit dem Hubmagneten 2 und dem Sensor 3 erläutert.
Bei einer Bestromung der Magnetspule 20 wird der Flachanker 8 durch ein Magnetfeld mit einer Magnetkraft in der Figur nach rechts bewegt und spannt dabei die Feder 37. Ein von der Scheibenfläche 14 des Flachankers 8 und des Magnettopfs 18 begrenzter Luftspalt 52 wird hierdurch verkleinert, bis der Bohrungsgrund 36 der Bohrung 34 auf die zweite Stirnseite 32 des Anschlagstifts 26 anschlägt. Die Anschlagskraft wird über den Anschlagsstift 26 auf den Topfboden 22 übertragen, der eine geringere Dicke aufweist und von der Anschlagskraft elastisch verformt wird, wodurch ein Ventil- bzw. Körperschallsignal erzeugt wird, das der unmittelbar am Topfboden angeordnete Sensor 3 erfasst. Der Topfboden 22 hat somit die Funktion einer Membrane. Bei dem Sensor 3 kann es sich um einen Körperschallsensor handeln, der als piezoelektrischer Sensor 3 ausgeführt ist und beispielsweise Longitudinalwellen erfassen kann. Das durch den Topfboden 22 erzeugte Ventilschallsignal wird dann von dem Sensor 3 als Schaltsignal des Ventils erkannt, womit eine Schaltstellung des Ventils einfach ermittelbar ist.
Es ist auch denkbar, dass der Sensor 3 die elastische Verformung des Topfbodens 22 erfasst, indem die Verformung als Druckkraft für ein Piezoelement im Sensor 3 fungiert. Oder der Sensor 3 weist eine seismische Masse auf, die mit dem Topfboden 22 in Wirkverbindung steht und bei einer Verformung des Topfbodens 22 beschleunigt wird, wodurch der Sensor 3 eine Schaltstellung des Ventils erkennt. Dehnmessstreifen könnten auch als Sensor 3 dienen, die ebenfalls die Verformung des Topfbodens 22 ermitteln.
Der Luftspalt 52 zwischen der Scheibenfläche 14 und dem Magnettopf 18 wird durch die Verschiebung des Flachankers 8 zwar verkleinert, bleibt aber auch nach dem Anschlagen des Flachankers 8 auf den Anschlagsstift 26 erhalten. Somit ist eine Abschaltverzögerung beim Abschalten der Magnetspule 20 verringert. Beim Abschalten der Magnetspule 20 wird der Flachanker 8 durch die Feder 37 in der Figur nach links verschoben, bis beispielsweise der nicht gezeigte Ventilschieber an einem Ventilsitz anschlägt.
Ein derartiger Sensor 3 ist auch bei Sitzventilen einsetzbar. Hierbei wird beispielsweise ein Schallsignal beim Auftreffen des von einer Feder vorgespannten Sitzelements auf einen Ventilsitz erfasst.
Alternativ kann ein justierbarer Anschlag bei einem Ventil mit dem Sensor 3 versehen werden. Ein derartiges Ventil ist im Datenblatt RD 21010/03.05 der Anmelderin auf den Seiten 58 und 59 gezeigt. Offenbart ist eine hydraulische Ventilanordnung mit einem Sensor, der zum Erfassen einer Schaltstellung eines Ventils ein Ventilschallsignal misst.
Bezuαszeichenliste
2 Hubmagnet
3 Sensor
4 Gehäuse
6 Schieberöffnung
8 Flachanker
10 Aufnahme
12 Scheibenteil
14 Scheibenfläche
16 Längsachse
18 Magnettopf
20 Magnetspule
22 Topfboden
24 Topfausnehmung
26 Anschlagstift
28 Stirnseite
30 Endabschnitt
32 Stirnseite
34 Bohrung
36 Bohrungsgrund
37 Feder
38 Ring
40 Anschiuss
42 Dichtring
44 isolierhülse
46 Dichtring
48 Außenfläche
50 Sensorkabel
52 Luftspalt

Claims

Ansprüche
1. Ventilanordnung mit einem Ventil, das einen Sensor zum Erfassen zumindest eines Ventilschallsignals aufweist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1 , wobei das Aufeinandertreffen zweier Ventilelemente das von dem Sensor erfassbare Ventilschallsignal erzeugt.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor ein piezoelektrischer Sensor ist.
4. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses einen Betätigungsmagneten mit einem Anker als erstes Ventilelement zum Verschieben eines Ventilschiebers aufweist, und wobei ein Anschlagstift als zweites Ventilelement zum Anschlagen des Ankers vorgesehen ist.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 4, wobei der Betätigungsmagnet einen Magnettopf hat, dessen Topfboden vom Anker weg weist und wobei sich der Anschlagstift in etwa mittig vom Topfboden abstützt, und der Sensor auf der dem Anschlagstift abweisenden äußeren Topfbodenseite angeordnet ist.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 5, wobei der Topfboden membranartig ausgebildet ist.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei Anschlüsse für im Magnettopf eingebrachte Magnetspulen durch den Topfboden hindurchgeführt sind und benachbart zu einem Sensorkabel des Sensors verlaufen.
8. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil ein Sitzventil ist.
. Ventilanordnung nach Anspruch 8, wobei das erste Ventilelement ein durch eine Feder vorgespanntes Sitzelement und das zweite Ventilelement ein Ventilsitz des Sitzelements ist.
10. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil einen justierbaren Anschlag aufweist.
11. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor ein Klopfsensor ist.
12. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil ein hydraulisches oder pneumatisches Ventil »st.
13. Ventilanordnung mit dem Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einer Steuerung, welcher ein Signal des Sensors zugeführt ist.
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