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Elektromagnetisches Steuerventil Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektromagnetisches Steuerventil, insbesondere für zweistufige Proportionalregelventile,
wobei ein in einem Gehäuse axial beweglicher, elektromagnetisch verstellbarer Schieber
zur Steuerung der Druckmittelbeaufschlagung der zweiten Stufe und feste Drosseln
vorgesehen sind.
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Proortionalregelventile können als billige Servoventile angesehen
werden. Sie sind insbesondere geeignet für den Einsatz bei mobilen Industriegeräten,
beispielsweise Hydraulikbaggern, Hydraulikkränen.
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Bei zweistufigen Servoventilen bzw. Proportionalregelventilen dient
die erste Stufe zur Verstellung des Steuergliedes, meistens eines Steuerschiebers,
der zweiten Stufe, welche den Druckmittel strom zwischen einer Druckmittelquelle
und einem oder mehreren Verbrauchern, meistens Stellzylindern, steuert. Die zweite
Stufe ist druckmittelbeaufschlagt, und die Druckmittelbeaufschlagung wird von der
ersten Stufe gesteuert, dessen Steuerglied, wobei es sich ebenfalls um einen Schieber
handeln kann, mit dem Steuerglied bzw. Steuerschieber der zweiten Stufe rückgekoppelt
ist, beispielsweise mechanisch mittels einer Rückführfeder.
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Es sind unterschiedliche Ausgestaltungen des die erste Stufe bildenden
elektromagnetischen Steuerventils bekannt, und zwar sowohl bei eigentlichen Servoventilen
als auch bei Proportionalregelventilen, und vor allem bezüglich der Ausbildung des
Steuergliedes zur Steuerung des austretenden Drucksittelstromes, d.h. der Druckmittelbeaufschlagung
der zweiten Stufe. So ist es bei den eigentlichen Servoventilen bekannt, das Steuerglied
als druckmittelbeaufschlagtes, mit zwei Gegendüsen zusammenwirkenden Strahlrohr,
als Prallplatte zwischen zwei seitlichen Düsen oder als Adhäsionskörper bzw. Strahlteiler
zwischen einer ersten, druckmittelbeaufschlagten Düse und zwei jeweils mit einem
Ventilausgang verbundenen Gegendüsen auszubilden (DT-PS 1 814 086).
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Weiterhin ist bereits ein elektromagnetisches Steuerventil vorgeschlagen
worden, insbesondere zur Steuerung der zweiten Stufe von zweistufigen Servoventilen,
wobei ein Steuerglied zur Steuerung des austretenden Druckmittelstromes elektromagnetisch
verstellbar ist, und zwar annähernd reibungslos und durch zwei Elektromagnete, deren
Anker jeweils vorzugsweise durch zwei im Abstand voneinander angeordnete Kugelreihen
axial verschieblich gelagert ist. Das Steuerglied kann aus einem Strahlteiler zwischen
einer ersten, druckmittelbeaufschlagten Düse und zwei jeweils mit einem Ventilausgang
verbundenen Gegendüsen bestehen, welcher zur Zuleitung des aus der ersten Düse austretenden
Druckmittelstrahles zu der einen oder anderen Gegendüse bzw. zur unmittelbaren Aufteilung
des Strahles in zwei Teilströme und Zuleitung desselben zu beiden Gegendüsen verstellbar
ist. Statt dessen kann das Steuerglied auch aus einem druckmittelbeaufschlagtea
Strahlrohr oder einem Adhäsionskörper zwischen einer ersten, druckmittelbeaufschlagten
Düse und zwei jeweils mit einem Ventilausgang verbundenen Gegendüsen bestehen, an
welchem das aus der ersten Düse austretende
Druckmittel haftet,
wobei das Strahlrohr bzw. der Adhäsionskörper zur Zuleitung des austretenden Druckmittelstrahles
zu der einen oder anderen oder beiden Gegendüsen verstellbar ist. Schließlich kann
das Steuerglied aus einer Prallplatte zwischen zwei einerseits druckmittelbeauf
schlagten und jeweils mit einem Ventilausgang verbundenen sowie andererseits ins
Freie bzw. in eine Druckmittelrücklaufleitung mündenden Düsen bestehen, welche zur
simultanen Veränderung der Druckmittelströme aus den beiden Düsen verstellbar ist
(DT-Gbm 7 343 953)-Auch bei Proportionalregelventilen hat man bereits elektromagnetische
Vorsteuerventile verwendet, deren Steuerglied aus einer mit zwei Düsen zusammenwirkenden
Prallplatte besteht. Zur Verstellung der Prallplatte ist ein Torquemotor unbedingt
erforderlich,da kleine Wege genau eingehalten werden müssen. Torquemotoren sind
nicht nur teuer, sondern auch störanfällig.
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Darüberhinaus ist ein zweistufiges Proportionalregelventil bekannt,
bei welchem das Steuerglied der ersten Stufe von einem kleinen Steuerschieber gebildet
ist, welcher durch zwei beidseitige Elektromagneten bestätigt wird. Dabei ist insbesondere
die relatib große Schmutzanfälligkeit an den Steuerkanten nachteilig, welche auch
zu einer verhältnismäßig hohen Reibung zwischen Schieber und zugehörigem Gehäuse
führt, insbesondere nach längerer Betriebsdauer, wenn also das Ventil längere Zeit
bei in Mittelstellung befindlichem Steuerschieber unter Druck steht. Die verhältnismäßig
große Schmutzanfälligkeit resultiert daraus, daß bei vorgegebenem Schieberdurchmesser
nur ein sehr geringer Schieberhub möglich ist, so daß Störungen durch Verunreinigungen
im jeweils verwendeten Druckmittel unvermeidlich sind. Hinzu kommt der Nachteil,
daß Steuerkanten erforderlich sind, die genau eingeschliffen werden müssen. Außerdem
ist die Schieberzentrierung schwer zu bewerkstelligen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches
Steuerventil der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welches sich bei zuverlässiger,
schmutzunempfindlicher Betriebsweise durch einen einfachen und robusten sowie billigen
Aufbau auszeichnet und auch nur einen geringen Herstellungsaufwand erfordert.
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Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Insbesondere sind beim erfindungsgemäßen Steuerventil keine Steuerkanten
einzuschleifen, und muß nicht unbedingt ein Torquemotor zur Verstellung des Schiebers
vorgesehen sein. Die Schieberzentrierung ist einfach, und eine größtmögliche Schmutzunempfindlichkeit
ist gewährleistet.
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Weiterhin ist beachtlich, daß die gleichzeitig veränderlichen Drosselstellen
und die unveränderlichen Drosselstellen nicht zwischen Steuerschieber der zweiten
Stufe und Druckmittelrücklauf bzw. Druckmittelquelle, sondern umgekehrt zwischen
Druckmittelquelle und Steuerschieber der zweiten Stufe bzw. zwischen diesem und
Druckmittelrtiokiauf liegen. Dies ermöglicht einen erhöhten Druckmitteldurchfluß
und eine erhöhte Druckverstärkung, ganz abgesehen von den bereits geschilderten
Vorteilen.
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Weist die Steuerkante eine stumpfe Schneide mit einer Breite von
mindestens etwa 0,2 Durchmesser der Druckmittelzulaufkanalmündung auf, dann ergibt
sich in der mittleren oder Null stellung des Steuerschiebers ein möglichst geringer
Druckmitteldurchfluß, wie wünschenswert, während der Durchsatz bei voller Öffnung
der Druckmittelzulaufkanalmündung etwa das Dreifache
des Nullstellungsdurchsatzes
ausmacht, was einem guten Frequenzgang zugutekommt.
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Das erfindungsgemäße Steuerventil ist insbesondere für den Einsatz
als Vorsteuerventil zweistufiger Proportionalregelventile geeignet, kann jedoch
auch bei mehrstufigen Proportionalregelventilen oder aber ohne nachgeschaltete Stufe,
d.h. als selbständige Steuereinrichtung verwendet werden, wenn nur geringe Druckmitteldurchsätze
gesteuert werden sollen.
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Nachstehend sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuerventils
anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch und in
teilweise axial geschnittener Seitenansicht: Fig. 1 eine erste Ausführungsform;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform; Fig. 3 eine dritte Ausführungsform und Fig.
4 die Einzelheit bei IV in Fig. 1 in größerem Maßstab.
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Das elektromagnetische Steuerventil für zweistufige Proportionalregelventile
gemäß Fig. 1 bis 4 weist ein Gehäuse 1 mit durchgehender, d.h. absatzfreier Bohrung
2, einen darin axial beweglichen Schieber 3 und zwei Elektromagnete 4 beiderseits
des Gehäuses 1 auf.
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Jeder Elektromagnet 4 weist ein Gehäuse 5 auf, in welchem die Wicklung
6 des Magneten 4 untergebracht und ein kolbenförmiger Anker 7 axial verschieblich
ist. Dieser ist durch
zwei im Abstand voneinander angeordnete Kugelreihen
8 gelagert, welche jeweils in einer Ringnut 9 des Ankers 7 in Richtung der Ankerlängsachse
beweglich angeordnet sind, also in einer Ringnut 9, welche entsprechend des Ankerhubes
breiter als der Durchmesser der Kugeln der zugehörigen Reihe 8 ist. Die Reihen 8
sind jeweils vollkugelig ausgebildet, d.h. nicht mit einem Käfig zur Halterung der
Kugeln versehen.
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Jeder Anker 7 der beiden Elektromagnete 4 weist auf der dem Gehäuse
1 zugewandten Seite einen Zapfen 10 auf. Die beiden Zapfen 10 schließen den Schieber
3 zwischen sich ein und liegen an dessen beiden Stirnseiten 11 an.
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Das Gehäuse 1 ist mit einem Druckmittelzulaufkanal 12 sowie beiderseits
davon mit jeweils einem Druckmittelablaufkanal 13 bzw. 14 versehen. Weiterhin weist
das Gehäuse 1 einen Druckmittelrücklaufkanal 15 sowie zwei feste Drosseln bzw. unveränderliche
Drosselstellen 16 auf.
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Der Schieber 3 ist an den beiden Enden jeweils mit einem Kolben 17
zur Führung in der durchgehenden Bohrung 2 des Gehäuses 1 versehen. Weiterhin weist
er in der Mitte zwischen den beiden Führungskolben 17 eine umlaufende, schneidenförmige
Steuerkante 18 auf, welche mit dem Druckmittelzulaufkanal 12 im Gehäuse 1 zusammenwirkt
und die Schieberbohrung 2 im Gehäuse 1 in zwei Räume 19 und 20 teilt, in die jeweils
ein Druckmittelablaufkanal 13 bzw. 14 mündet.
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Gemäß Fig. 4 ist die ringförmige Steuerkante 18 mit sich radial nach
außen verjüngendem Querschnitt mit einer stumpfen, umlauf enden Schneide 21 versehen.
Die Breite der Schneide 21 entspricht vorzugsweise mindestens etwa 0,2 d, wobei
d = Durchmesser der gegebenenfalls verengten Mündung 22 des Druckmittelzulaufkanals
12 ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Schieber 3 federzentriert,
und zwar mittels zweier Druckfedern 23, welche jeweils die benachbarte Stirnseite
11 des Schiebers 3 beaufschlagen, und zwar über den zugehörigen Anker 7 und dessen
Zapfen 10. Mit der dem Anker 7 abgewandten Seite liegt jede Feder 23 an einem in
Richtung der Ankerlängsachse im zugehörigen Gehäuse 5 axial verschieblichen Block
24 an, der sich an einer Justierschraube 25 abstützt. Die beiden Justierschrauben
25 dienen dazu, die Anker 7 so einzustellen, daß bei nicht erregten Elektromagneten
4 der Schieber 3 die dargestellte Mittelstellung einnimmt.
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Der Druckmittelrücklaufkanal 15 steht über zwei von einer durchgehenden
Bohrung gebildete Zweigkanäle 26 und 27 mit zwei Räumen 28 beiderseits des Schiebers
3 in Verbindung, diese wiederum über jeweils einen Kanal 29 bzw. 30 mit dem Druckmittelablaufkanal
13 bzw. 14. In jedem Kanal 29 bzw. 30 ist eine feste Drossel 16 vorgesehen.
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Das Steuerventil gemäß Fig. 1 funktioniert folgendermaßen. In der
zeichnerisch wiedergegebenen Mittel- oder Nullstellung des Schiebers 3 kann nur
eine geringe Druckmittelmenge aus dem Kanal 12 austreten, welcher von einer Druckmittelquelle
her beaufschlagt wird. Die austretende Druckmittelmenge wird gleichmäßig auf die
beiden Räume 19 und 20 verteilt, um in die Druckmittelablaufkanäle 13 und 14 zu
gelangen. Der Steuerschieber der in Fig. 1 nicht dargestellten zweiten Stufe eines
zweistufigen Proportionalregelventils nimmt daher ebenfalls die Mittelstellung ein.
Zwischen diesem Steuerschieber und dem Steuerschieber 3 kann eine mechanische Rückführung
vorgesehen sein, beispielsweise mit Hilfe einer Rückführfeder, welche an den beiden
Schiebern angreift.
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Werden die Elektromagnete 4 mit einem elektrischen Eingangssignal
beaufschlagt, dann verschieben sich die Anker 7 entsprechend, so daß der Schieber
3 sich in Fig. 1 nach links oder rechts um eine entsprechende Strecke bewegt. Entsprechend
erhöht sich die dem Raum 20 bzw. 19 zugeführte Druckmittelmenge und vermindert sich
die dem Raum 19 bzw. 20 zugeführte Druckmittelmenge, so daß die Druckmittelbeaufschlagung
der erwähnten zweiten Stufe über den Kanal 13 sich vermindert bzw. ansteigt und
über den Kanal 14 ansteigt bzw. sich vermindert, was eine entsprechende Verstellung
des Steuerschiebers der zweiten Stufe zur Folge hat.
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Wird der in Fig. 1 rechte Elektromagnet 4 erregt, dann verschiebt
sich der Schieber 3 nach links, während bei einer Erregung des in Fig. 1 linken
Elektromagneten 4 der Schieber 3 sich nach rechts bewegt.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich lediglich dadurch
von derjenigen nach Fig. 1, daß der Schieber 3 nicht federzentriert ist, also die
Druckfedern 23 fehlen und daß statt dessen eine Druckrückführung des Schiebers 3
vorgesehen ist, wobei der Schieber 3 an beiden Stirnseiten 11 jeweils mit dem Druck
in dem Schieberbohrungsraum 19 bzw. 20 beaufschlagbar ist, welcher auf der der jeweiligen
Stirnseite abgewandten Seite der Steuerkante 18 liegt. Dazu sind im Schieber 3 zwei
zueinander parallele Längskanäle 31 und 32 vorgesehen, welche jeweils an der in
Fig. 2 linken bzw. rechten Stirnseite 11 des Schiebers 3 und rechts bzw. links neben
der Steuerkante 18 in der Schiebermantelfläche münden.
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Die Kanäle 29 und 30 fehlen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2.
Die festen Drosseln 16 sind dafür in den Zweigkanälen 26 und 27 vorgesehen.
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Die Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist analog derjenigen
nach Fig. 1. Wird beispielsweise der in Fig. 2 rechte Elektromagnet 4 erregt, dann
verschiebt sich der Schieber 3 entsprechend nach links, so daß die Druckmittelbeaufschlagung
des Raumes 20 und Kanals 14 größer ist als diejenige des Raumes 19 und des Kanals
13. Dies hat auch zur Folge, daß die Druckbeaufschlagung des Schiebers 3 an der
linken Stirnseite 11 größer ist als an der rechten Stirnseite 11 und der Schieber
3 somit eine Druckrückführung erfährt. Er arbeitet also nicht gegen Federwirkung,
sondern gegen die Differenz der in den Räumen 19 und 20 bzw. in den Kanälen 13 und
14 herrschenden Drücke.
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In Fig. 3 ist ein zweistufiges Proportionalregelventil dargestellt,
dessen erste Stufe der Ausführungsform gemäß Fig.
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1 entspricht. Dabei ist das Gehäuse 1 des Schiebers 3 der ersten Stufe
als Schieber der zweiten Stufe auggebildet, der in einem Gehäuse 33 axial verschieblich
ist, an dessen beiden Stirnseiten die Elektromagnete 4 angeflanscht sind. Der Schieber
1 ist in einer durchgehenden Bohrung 34 des Gehäuses 33 beweglich und mit zwei Kolben
35 sowie zwei Paaren von umlaufenden Steuerkanten 36 und 37 versehen, welche die
Druckmittelbeaufschlagung von zwei Anschlüssen 38 und 39 steuern, an die beispielsweise
ein hydraulischer Arbeitszylinder 40 angeschlossen sein kann.
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Der Ringraum 41 zwischen den beiden Steuerkantenpaaren 36 und 37
ist an eine Druckmittelquelle angeschlossen, während die beiden Ringräume 42 zwischen
dem Steuerkantenpaar 36 bzw.
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37 und dem benachbarten Kolben 35 jeweils mit dem Druckmittelrücklauf
verbunden sind. Der Druckmittelzulaufkanal 12 im Schieber 1 der zweiten Stufe verbindet
den Raum 41 mit der Bohrung 2 des Schiebers 1. Die beiden Druckmittelablaufkanäle
13 und 14
münden jeweils hinter dem Kolben- 35 des Schiebers 1,
der auf derselben Seite der Steuerkante 18 vorgesehen ist, wie der zugehörige Raum
19 bzw. 20. Jeder Druckmittelablaufkanal 13 bzw.
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14 ist durch eine enge, eine feste Drossel bildende Bohrung 16 mit
dem benachbarten Ringraum 42 verbunden. Weiterhin kommuniziert wieder Raum 43 beiderseits
der Schieber 1 und 3 über einen Kanal 44 mit dem benachbarten Ringraum 42.
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Es erfolgt also eine selbständige Schieberzentrierung, d.h. der Schieber
1 der zweiten Stufe folgt dem Schieber 3 der ersten Stufe bei einer Auslenkung desselben
durch die Elektromagnete 4 nach, bis die Mündung 22 des Druckmittelzulaufkanals
12 bezüglich der Steuerkante 18 wieder die in Fig. 4 dargestellte Position einnimmt.
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In Fig. 3 ist das zweistufige Proportionalregelventil in Mittel-
oder Null stellung wiedergegeben. Wird beispielsweise der rechte Elektromagnet 4
erregt, dann verschiebt sich der Schieber 3 entsprechend nach links. Dies hat zur
Folge, daß der Raum 20 mit mehr Druckmittel beaufschlagt wird als der Raum 19, also
auch der Druck im Ablaufkanal 14 sich erhöht, während derjenige im Ablaufkanal 17
fällt. Dadurch wird der Schieber 1 der zweiten Stufe gleichfalls nach links bewegt,
bis der Druckmittelzulaufkanal 12 sich mit der radialen Mündung 22 wieder vor der
umlaufenden, schneidenförmigen Steuerkante 18 des Schiebers 3 befindet. Die Bewegung
des Schiebers 1 der zweiten Stufe nach links hat zur Folge, daß das Steuerkantenpaar
36 den Ventilausgang bzw. den Anschluß 38 der zweiten Stufe mit dem an die Druckmittelquelle
angeschlossenen Ringraum 41 verbindet, während das Steuerkantenpaar 37 den Ventilausgang
bzw.
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Anschluß 39 der zweiten Stufe mit dem in Fig. 3 rechten Ringraum 42
verbindet, der an die Druckmittelrücklaufleitung des Proportionalregelventils angeschlossen
ist. Der Kolben des Arbeitszylinders 40 wird entsprechend verschoben.