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Steuerventileinheit Die Erfindung betrifft eine Steuerventileinheit,
die zwischen einer Druckquelle und einem Niederdruckraum zwischengeschaltet ist,
um eine Druckdifferenz zu steuern, mit der die Betätigung einer druckmittelbetätigbaren
Vorrichtung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Eingangssignal gesteuert wird.
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Bei der Erfindungrd ausgegangen von einer Steuerventileinheit mit
einer in einem Gehäuse angeordneten Ventileinrichtung, die zwischen einen an eine
Druckquelle anschließbaren Versorgungseinlaß und einen an einen Niederdruckraum
anschließbaren Rückfuhrungsauslaß zwischengeschaltet ist und in AbhAngigkeit von
einem vorgegebenen Eingangssignal zwei getrennte Auslaßöffnungen, die an eine druckmittelbetätigbare
Vorrichtung anschließbar sind, wahlweise mit dem Versorgungseinlaß bzw. dem RtekfUhrungsauslaß
verbindet.
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Die Steuerventileinheit ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventileinrichtung durch eine auf eine Druckdifferenz ansprechende bewegbare
Stellvorrichtung betätigbar ist, wobei eine wirksame Fläche der Stellvorrichtung
der Druckdifferenz zwischen den beiden Auslaßöffnungen ausgesetzt ist, so daß die
Stellvorrichtung durch diese Druckdifferenz in eine von zwei entgegengesetzten Öffnungsstellungen
bewegt wird, und zwar Je nach dem Richtungssinn des Eingangssignals, das die Betätigung
der Ventileinrichtung und der Stellvorrichtung einleitet.
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Hierbei kann die Ventileinrichtung als ein Zweistellungs-Steuerventil
aufgefaßt werden, das in der Öffnungsstellung, in die es Je nach dem Richtungssinn
des Eingangssignals anfangs bewegt worden ist, bleibt, bis das Eingangssignal einen
entgegengesetzten vorgegebenen Wert annimmt, der groß genug ist, um das Zweistellungs-Steuerventil
entgegen der Druckkraft, die von der Druckdifferenz zwischen den Auslaßöffnungen
auf die wirksame Fläche der Stellvorrichtung ausgeübt wird, umzuschalten. Von Bedeutung
ist hierbei insbesondere, daß das Zweistellungs-Steuerventil in der einen seiner
beiden Öffnungsstellungen bleibt, obwohl das Eingangssignal, das das Zweistellungs
-Steuerventil anzwangs in die betreffende Öffnungsstellung umgeschaltet hat, auf
einen Wert absinkt, der kleiner als der ursprüngliche Wert ist, und sogar Null wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein druckmittelbetätigbarer
doppelt wirkender Stellmotor dadurch gekennzeichnet, daß eine erfindungsgemäße Steuerventileinheit
zur Steuerung der
Betätigung des Stellmotor-Stellglieds vorgesehen
ist, das auf die Druck differenz zwischen den sich gegenüberliegenden, an die Auslaßöffnungen
der Steuerventileinheit angeschlossenen Druckkammern anspricht, und daß ein mit
dem Stellglied wirkungsmäßig verbundenes Eingangssignal-Steuerventil vorgesehen
ist, das die Betätigung-der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der Verschiebung
des Stellglieds steuert.
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Bei normaler Druckmittelversorgung arbeitet der Stellmotor autoüiatisch
und kontinuierlich, bis eine Ausgangskraft- die auf das Stellglied wirkende Druckdifferenzkraft
ausgleicht und somit einer weiteren Verschiebung des Stellglieds entgegenwirkt.
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Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Steuerventileinheit,
Fig. 2 einen erfungsgemäßen Stellmotor mit einer Steuerventileinheit nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist eine Steuerventileinheit 10 dargestellt, die die Betätigung
eines doppelt wirkenden druckmittelbetätigbaren Stellmotors 12 steuert. Der Kolben
14 des Stellmotors ist der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckkammern 16, 18
des Stellmotors ausgesetzt, um ein Stellglied 20 zu betätigen.
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Das Gehäuse der Steuerventileinheit 10 weist einen Trennwandkörper
22 auf, an dessen beiden Stirnflächen Jeweils ein Ringkörper 24 und ein Stirnwandkörper
26 dicht befestigt sind. Der Trennwandkörper 22 besitzt einen an eine Druckquelle
(nicht gezeigt) angeschlossenen Versorgungseinlaß 28, einen an einen Niederdruckraum
(beispielsweise die Atmosphäre) anschließbaren Rückführungsauslaß 30 und zwei Auslaßöffnungen
32, 34, die über Leitungen 36, 38 mit den Druckkammern 16, 18 des Stellmotors verbunden
sind. Der innere Abschnitt 40 des Trennwandkörpers 22 ist mit zwei im wesentlichen
parallel verlaufenden Bohrungen 42, 44 verstehen, von denen die Bohrung 42 mit dem
Versorgungseinlaß 28 und die Bohrung 44 mit den Rückführungsauslaß 30 verbunden
ist. Jede der Bohrungen 42, 44 mündet in zwei getrennte Auslaßkammern 46, 48, von
denen die eine mit der AuslaAöfung 32 und die andere mit der Auslaßöffnung 34 verbunden
ist In der Bohrung 42 ist eine Stange 50 gleitbar angeordnet, deren Länge größer
als die axiale Länge der Bohrung 42 ist. An den entgegengesetzten Enden der Stange
50 sind zwei Ventilkörper 52, 54 angebracht, die mit den sich gegenüberliegenden,
als Ventilsitze dienenden Rändern 46, 48 der Bohrung 42 zusammenwirken, um den Versorgungseinlaß
28 mit der Auslaßkammer 46 oder der Auslaßkammer 48, und zwar über die zwischen
der Stange 50 und der Bohrung 42 gebildeten Kanäle, zu verbinden. In der gleichen
Weise ist in der Bohrung 44 eine Stange 60 gleitbar gelagert, wodurch die Auslaßkammern
46, 48 Jeweils mit dem Rückführungsauslaß 30 verbindbar sind. Die Stange 60, deren
Länge größer als die
axiale Länge der Bohrung 44 ist, ist an ihren
gegenüberliegenden Enden mit zwei Ventilkörpern 62, 64 versehen, die mit den sich
gegenüberliegenden, als Ventilsitze dienenden Rändern 66 bzw.
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68 der Bohrung 44 zusammenwirken.
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Die Auslaßkammer46, 48 werden durch zwei elastische Membranen 70,
72 verschlossen, die an ihren äußeren Ringabschnitten zwischen dem Trennwandkörper
22 und den Ringkörpern 24 eingeklemmt sind, so daß sie im Gehäuse zwei Steuerkammern
74, 76 bilden.
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Jede der Membranen 70, 72 ist außerdem an einem Ventilkörper 50 bzw.
54 befestigt, wodurch eine bewegbare Stellvorrichtung gebildet wird, die einerseits
auf die Druckdifferenz zwischen den Auslaßkammern 46, 48 und andererseits auf die
Druckdifferenz zwischen den Steuerkammern 74, 76 anspricht.
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Die Steuerkammern 74, 76 sind einerseits Geber mit Drosselstellen
79, 81 versehene Kanäle 78,80 mit dem Versorgungseinlaß 28 und andererseits über
Drosselstellen 86, 88 mit Entlüftungsöffnungen 82, 84, die an einen Niederdruckraum
(beispielsweise die Atmosphäre) angeschlossen sind, verbunden. Mit den als Ventilsitz
die-1 nenden Rändern der Drosselöffnungen 86, 88 wirken zwei Membranen 90, 92, die
an ihren sauberen Ringabschnitten zwischen den Ringkörpern 24 und den Stirnwandkörpern
26 eingeklemmt sind, zusammen, um den Druck in den Steuerkammern 74, 76 zu steuern.
Jede Membran 90, 92 unterteilt den Raum zwischen den Ringkörpern 24 und den Stirnwandkörpern
26 in eine Entlüftungskammer 94 bzw. 96, die mit der Entlüftungsffnung 82 bzw. 84
verbunden ist, und eine
Eingangssignal-Steuerkammer 98 bzw. 100,
die mit einem Eingangs-Signalsteuereinlaß 102 bzw. 104 verbunden ist.
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In dem inneren Abschnitt 40 des Trennwandkörpers 22 sind Drosselkanäle
106, 108 vorgesehen, die die Auslaßkammern 46, 48 mit dem Rückführungsauslaß 30
verbinden. Der wirksame Strömungsquerschnitt des Versorgungskanals, der durch die
Bohrung 42, die Stange 50 und den Ventilkörper 52 oder 54 definiert ist, wird wesentlich
größer gewählt als der wirksame Strömungsquerschnitt des Entlüftungskanals, der
durch die Bohrung 44, die Stange 60 und den Ventilkörper 62 oder 64 definiert ist.
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Die beschriebene Steuerventileinheit arbeitet wie folgt: Es sei beispielsweise
angenommen, daß die beiden Eingangsaignal-Steuereinlässe 102, 104 an eine Drucksteuervorrichtung
(nicht gezeigt> angeschlossen sind, die ein verhältnismäßig kleines Druokdifferenz-Eingangssignal
an die beiden Eingangssignal-Steuereinlässe 102, 104 abgibt. Das Druckdifferenz-Eingangssignal
kann beispielsweise aus zwei komplementären Digitalsignalen, d.ht zwei getrennten
Drucksignalen, bestehen, von denen das eine (Eingangssignal 1) einem vorgegebenen
Druckwert entspricht, der größer als der Druckwert des anderen Drucksignals (Eingangssignal
0) ist. Es sei ferner angenommen, daß sich die verschiedenen Ventilteile anfangs
in der in Fig. 1 gezeigten Stellung befinden, in der die Druckkammer 18 des Stellmotors
über die Bohrung 42, die Auslaßkammer 48, die Auslaßöffnung 34 und die Leitung 38
mit dem Versorgungseinlaß 28 und die Druckkammer 16 über die Bohrung 44, die Auslaßkammer
46, die Auslaßöffnung 32 und die Leitung 36
mit dem RUckführungsauslaß
30 verbunden ist. Das bewegbare Versorgungsventil 50, 70, 72 wird durch die-zwischen
den Steuerkammern 74, 76 herrschende Druckdifferenz) die auf die wirksame Fläche
der Membranen 70, 72 wirkt, sowie durch die zwischen den Auslaßkammern 46, 48 wirkende
Druckdifferenz, die auf die wirksame Fläche der Membranen minus dem wirksamen Querschnitt
des Ventilsitzes 56 oder 58 wirkt, in der gezeigten Stellung gehalten.
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Das bewegbare Entlüftungsventil 60, 62, 64 wird durch die zwischen
den Auslaßkammern 48 und 46 herrschende Druckdifferenz, die auf die wirksame Fläche
des Ventilkörpers 62 wirkt, in seiner gezeigten Stellung gehalten.
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Wenn der Eingangssignal-Steuereinlaß 104 mit einem Drucksignal, das
größer als der Druck in der Entlüftungskammer 94 ist, beaufschlagt wird, und gleichzeitig
der Eingangssignal-Steuereinlaß 102 an einen Niederdruckraum (beispielsweise die
Atmosphäre) angeschlossen wird, bewegen sich die Membranen 90, 92 nach rechts (in
Fig. 1), wobei sie die Drosselöffnung 86 freigeben und die Drosselöffnung 88 verschieben.
Der Druck in der Steuerkammer 74 nimmt ab, bis er aufgrund der Drosselöffnung 79
im wesentlichen gleich dem Druck in der Entlüftungskammer 94 ist, während der Druck
in der Steuerkammer 76 ansteigt, bis er im wesentlichen gleich dem Druck im Versorgungseinlaß
28 ist. Die dabei entstehende Druckdifferenz zwischen den Steuerkammern 76, 74 überwindet
die auf die Membranen 72, 70 wirkende Druckdifferenz und bewegt, das Versorgungsventil
50, 70, 72 nach rechts (in Fig. 1), wodurch die Verbindung zwischen der Auslaßkammer
118 und dem Versorgungseinlaß
28 unterbrochen und der Versorgungseinlaß
28 mit der Auslaßkammer 46 verbunden wird. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte
der Kanäle 42 und 44 und des Kanals 108 bewegt die Druckkraft, die von der Druckdifferenz
zwischen den beiden Auslaßkammern und der dynamischen Druckkraft (Berno'ulli-Druckkraft
bedingt durch die Strömung zwischen der Bohrung 42 und dem Rückführungsauslaß 30)
herrührt, das Entlüftungsventil 60, 62, 64 nach links (in Fig. 1), wodurch die Verbindung
zwischen der Auslaßkammer 46 und dem Rückführugsauslaß 30 unterbrochen und der Rückführungsauslaß
30 mit der Auslaßkammer 48 und der Druckkammer 18 verbunden wird. Nach der durch
das Eingangssignal gesteuerten Verschiebung des Versorgungsventils 50 erfolgt die
Bewegung des Entlüftungsventils 60 schlagartig, da sich das Entlüftungsventil zu
diesem Zeitpunkt in einem instabilen, druckausrs lichenen Zustand befindet. Wenn
das Versorgungsventil 50, 70, 72, wie oben beschrieben, umgeschaltet worden list,
bleibt das Versorgungsventil in seiner rechten Öffnungsstellung, und zwar unabhängig
davon, wie sich das Eingangssignal im Eingangssignal-Steuereinlaß 104 im folgenden
ändert. Um die Steuerventileinheit in ihre entgegengesetzte öffnungsstellung umzuschalten
und somit die Verschiebung des Stellglieds 20 umzukehren, muß lediglich die Drosselöffnung
88 geöffnet und die Drosselöffnung 86 geschlossen werden, was dadurch geschieht,
daß an den Eingangssignal-Steuereinlaß 102 ein Drucksignal abgegeben und der Eingangssignal-Steuereinlaß
104 mit der Atmosphäre verbunden wird.
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Durch Verändern des wirksamen Strömungsquerschnitts der Drosselöffnungen
79
und 81 kann die Verzögerung im Ansprechverhalten der Steuerventileinheit 10 eingestellt
werden. Aufgrund des großen Unterschieds zwischen der wirksamen Fläche der Membranen
90 und 92 und dem verhältnismäßig kleinen Querschnitt der Kanäle 86 und 88 kann
das bei 102 bzw. 104 einzugebende Eingangssignal durch einen Druck erzeugt werden,
der bezüglich des Drucks in den Entlüftungskammern 94, 96 sehr klein ist.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Zweistellungs-Ventileinrichtung
durch eine Druckdifferenz gesteuert, die durch zwei komplementär wirkende Eingangsaignal-Steuerventile
86, 90 bzw. 88, 92 in getrennten Steuerkammern 74, 76 hergestellt wird. Die Drosselöffnungen
86, 88 können Jedoch auch derart angeordnet werden, daß sie von einem einzigen Ventilkörper
gesteuert werden, der auf ein Eingangssignal anspricht; das Versorgungsventil 50,
70, 72 könnte unmittelbar von einem Druckdifferenz-Eingangssignal, das an die Steuerkammer
74, 76 abgegeben wird oder sogar von einer auf die Stange 50 wirkenden mechanischen
Eingangs kraft gesteuert werden.
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Insbesondere können die Drosselöffnungen 86, 88 von zwei Ventilelementen
90' und 92' gesteuert werden, die an dem bewegbaren Stellglied 20 des Stellmotors
12 befestigt sind (Fig. 2). Bei diesem Ausführungsbeispiel dient die Atmosphäre
als Druckquelle, die die Versorgungsöffnung 28 und die Drosselöffnungen 86, 88 mit
Druck versorgt, während der Rückführungsauslaß 30 an einen Unterdruckraum (nicht
gezeigt) angeschlossen ist. Bei einer solchen Anordnung steuert die Steuerventileinheit
10 kontinuierlich
und automatisch die in entgegengesetzten Richtungen
erfolgende Bewegung des Kolbens 14, bis eine Ausgangskraft die auf den Kolben 14
wirkende Druckkraft ausgleicht.