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Elektrohydraulisches Durchsatzsteuerventil.
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Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Durchsatzsteuerventil
mit proportional zu einem elektrischen Strom ve-rstellbarer Meßdüse, welches aus
einem Gehäuse mit Einlaß- und Auslaßöffnung, einer diese beiden öffnungen miteinander
verbindenden Bohrung, einem in der-Bohrung verschiebbar gelagerten Meßschieber,
einem zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung an der Bohrung befindlichen Ge-.
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häusewandabschnitt, einer im Zusammenwirken mit dem-Gehäusewandabschnitt
eine Düse zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung bildenden Steuerfläche an dem Meßschieber,
wobei die Grö-ße der Meßdüse von der rel-ativen linearen Stellung des Meßschiebers
in bezug auf den Gehäusewandabsohnitt abhängig ist, und einer mit der Einlaßöffnung
verbindbaren Quelle eines unter Druck stehenden Mediums besteht, wobei die Größe
der Meßdüse in Abhängigkeit von der Stromstärke in einem zugeordneten Elektromagneten
selbsttätig verstellbar ist. Das Durchsatzsteuerventil ist verwendbar in Verbindung
mit einer Druckausgleichsvorrichtung, welche ein konstantes Druckdifferential an
der Düse unabhängig von Druckschwankungen auf Abstrom- und Aufstromseite der Düse
und damit konstanten Durchsatz gewährleistet.
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Eine einfache Durchflußsteuerung ist vermittels einer feststehenden
Düse möglich. Eine etwas elegantere Durchsatzsteuerung wird vermittels einer von
Hand veränderlich verstellbaren Düse erhalten. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist
ein Nadelventil.
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Feststehende oder verstellbare Düsen werden in eine Rohrleitung eingesetzt
und geben jeweils den Durchflußquerschnitt vor. Zur Erzielung eines konstanten Durchsatzes
zu einer nachgeschalteten Vorrichtung wird in vielen Fällen eine Druckausgleichsvorrichtung
vorgesehen. Durch diese wird ein konstantes Druckdifferential des strömenden
Mediums
zwischen Einlaß- und Auslaßseite der Düse aufrecht erhalten. Wenn an der Düse ein
gleichförmiger Druckabfall herrscht, ist der Durchsatz durch die Düse konstant und
unabhängig von Druckschwankungen des Mediums auf der Abstrom- oder der Aufstromseite
der Düse.
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Einen konstanten Durchsatz benötigende Vorrichtung ist z.B.
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ein Hydraulikmotor. Damit wird gewährleistet, daß der Motor mit konstanter
Drehzahl umläuft. Ein anderes Anwendungsbeispiel ist ein Hydraulikzylinder, dem
ein Medium in konstantem Durchsatz zugeführt werden muß, damit sich der Kolben mit
konstanter Geschwindigkeit innerhalb des Zylinders verschiebt.
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In der U.S. PS 3 246 669 von Adams der Anmelderin ist eine Durchsatzsteuerung
mit feststehender Düse und Druckausgleich beschrieben. Bei dieser Steuerung wird
ein Steuermedium verwendet, das nach der Einlaßöffnung eine feststehende Düse durchsetzt
und druckabgeglichen ist. Der Druckabfall an der feststehenden Düse wird durch einen
Steuerkolben konstant gehalten, dessen rechtes Ende dem Druck auf der Aufstromseite
der Düse ausgesetzt ist, und dessen entgegengesetztes Ende dem Druck auf der Abstromseite
der Düse unterliegt, der im Zusammenwirken mit einer schwachen Feder der Verstellung
des Kolbens aufgrund des unter hohem Druck stehenden Mediums in an sich bekannter
Weise entgegenwirkt. Bei Verstellung des Steuerkolbens wird durch-einen an diesem
ausgebildeten Steg der Durchsatz durch eine Öffnung gedrosselt oder gesteigert,
um entsprechend einen konstanten Durchsatz von Medium durch die Düse zu erzielen.
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Eine etwas kompliziertere Durchsatzsteuerung ist in der U.S. PS 3
200 832 von Adams der Anmelderin dargestellt,
bei welcher zur Veränderung
der Meßdüsenöffnung eine elektrische Vorrichtung benutzt wird. Bei dieser Steuerung
wirkt das Druckdifferential von Steuermedium an einer Düse veränderlicher Öffnung
auf einen Meßschieber ein, welcher die Größe der Meßdüse verändert. Die zum Verstellen
des Meßschiebers zur Verfügung stehende Höchstkraft ist dabei beschränkt auf den
Druckabfall an der veränderlichen Düse, welcher typischerweise etwa 7 bar beträgt.
Die Steuerung umfaßt eine Druckausgkeichsvorrichtung, die ein konstantes Druckdifferential
an der Hauptdüse gewährleistet.
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Eine elektrohydraulische Durchsatzsteuerung, in welcher der Druck
des Steuermediums abgeglichen ist, um einen konstanten Durchsatz zu gewährleisten,
ist außerdem in der U.S. PS .3 159 178 von Adams der Anmelderin beschrieben Bei
konstantem Durchsatz bleibt der Zwischenraum zwischen dem Anker und dem Kern für
jede Solldurchsatzwerteinstellung gleich, so daß folglich die Kraft des Ventils,
welches die Höhe des Steuerdrucks vorgibt, konstant bleibt. Wenn der Steuerdurchsatz
nicht konstant ist und sich der Abstand zwischen dem Anker und dem Kern verändert
und unterschiedliche Durchsatzmengen zuläßt, wird die auf den Kolben einwirkende
und den Steuerdruck vorgebende elektromagnetische Kraft ungleichförmig, so daß die
Öffnung der Düsenöffnung nicht länger einer vorgegebenen (strom- oder spannungsbedingten)
Einstellung des elektrischen Steuergeräts entspricht.
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Eine andere Ausführungsform einer elektrisch gesteuerten Düse liegt
in einem Strahlrohr- oder Prallplatten-Servoventil vor. Bei einem derartigen Ventil
wird der- Düsenschieber aufgrund des Druckdifferentials zwischen den beiden Schieberenden,
welches durch den unterschiedlichen Druck zwischen den Einlaßöffnungen des Strahlrohrs
hervorgerufen
wird, verstellt. Der Druckunterschied an den Einlaßöffnungen
beträgt höchstens angenähert 65 % des Einlaßdruckes des Mediums bei maximaler Ansteuerung
der Strahlrohrspule.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß in manchen Fällen an dem die Düsengröße
vorgebendenMeßschieber ein höheres Druckdifferential erforderlich ist als dasjenige,
welches sich vermittels herkömmlicher Durchsatzsteuerung unter Verwendung eines
Steuermediums oder eines Strahlrohr-Servoventils vorgeben läßt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrohydraulisches
Durchsatzsteuerventil zu schaffen, in welchem der Druck des zum Einstellen einer
Meßdüse durch Verstellen eines Meßschiebers in eine vorgegebene Stellung dienenden
Steuermediums, sofern zum Verstellen des Meßschiebers erforderlich, ggf. bis auf
den vollen, an der Einlaßöffnung anliegenden Druck ansteigen kann.
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Das. zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Durchsatzsteuerventil
der Eingangs genannten Ausführung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine
an einem Ende des Meßschiebers ausgebildete Steuerkammer, zum Zuführen von Steuermedium
von der Einlaßöffnung zur Steuerkammer dienende Durchlässe, einen Durchsatzregler
für Steuermedium, wobei der Meßschieber vermittels in der Steuerkammer befindlichen
Steuermediums im Düsenöffnungssinn beaufschlagbar und das andere Ende des Meßschiebers
über Durchlässe mit einem Niederdruckbereich verbunden ist, eine am anderen Ende
des Meßschiebers angeordnete, dem Druck des Steuermediums entgegengesetzt gerichtete
und zur Beaufschlagung des Meßschiebers im Düsenschließsinn dienende Feder, ein
zur Steuerung des Drucks des Steuermediums
in der Steuerkammer
zur Vorgabe der Stellung des Meßschiebers und der Düsengröße dienendes zweites Ventil,
die Steuerkammer mit dem Ventil verbindende Durchlässe, wobei das zweite Ventil
aus einem verstellbaren Steuerventil und einem Sitz besteht und eine zweite Düse
veränderlicher Größe bildet, deren Öffnung durch die Relativstellung von Steuerventil
zu Sitz vorgegeben ist, einen das -zweite Ventil im Schließsinne beaufschlagenden
Elektromagneten mit einem verstellbaren Ankerstift, eine zum Einstellen der in Abhängigkeit
von einem an den Elektromagneten angelegten elektrischen Eingangssignal von dem
Ankerstift auf das zweite Ventil-ausge-übten Kraft- dienende Vorrichtung, und eine
zwischen dem Meßschieber und dem Steuerventil- angeordnete und das letztere im Öffnungssinne
beaufschlagende Rückkopplungsfeder, wobei durch die -voh dem Ankerstift ausgeübte
Kraft die Größe der zweiten Düse, und durch.diese der Druck des Steuermediums vorgebbar,
der Meßschieber vermittels des in der Steuerkammer befindlichen Steuermediums im
Öffnungssinne der ersten Düse verstellbar, und durch die Verstellung des Meßschiebers
die Rückkopplungsfeder gegen das Steuerventil vorspannbar, die von dem Ankerstift
ausgeübte Kraft überwindbar, das zweite Ventil im Öffnungssinn verstellbar und dadurch
der Druck des Steuermediums begrenzbar und die Verstellung des Meßschiebers zum
Stillstand bringbar- ist, wenn die von der Rückkopplungsfeder-auf das Steuerventil
ausgeübte Kraft gleich ist der von dem Ankerstift ausgeübten Kraft.
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Das erfindungsgemäß vorges-chlagene Durchsatzsteuerventil ist im nachfolgenden
anhand des in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeispieLs näher erläutert,
in welcher Fig. 1 ein teilweiser Längsschnitt durch das Ventil, und
Fig.
2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, mit Darstellung von Einlaß-und
Auslaßöffnung für die Meßdüse ist.
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Das in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße
Durchsatzsteuerventil 10 umfaßt ein Gehäuse 11 mit einem in einer Längsbohrung 13
axial verschiebbaren Meß- oder Steuerschieber 12. Der Meßschieber 12 weist an seinen
entgegengesetzten Enden jeweils einen Wandabschnitt auf i4 bzw. 15, und diese Wandabschnitte
verjüngen sich jeweils entlang eines Wandabschnitts 16 bzw. 17 auf einen Abschnitt
18 reduzierten Durchmessers.
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Die Einlaßöffnung PI ist über einen Gehäusewandabschnitt 19 an der
Bohrung 13 mit einer Auslaßöffnung PO verbunden.
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Der Meßschieber 10 ist in der Bohrung 13 axial verschiebbar zwischen
einer ersten Endstellung, in welcher der Wandabschnitt 14 mit dem Gehäusewandabschnitt
19 zusammenwirkt und den Durchlaß zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung Pl, PO verschließt,
einer mittleren Stellung, in welcher die sich verjüngende Oberfläche 16 mit dem
Gehäusewandabschnitt 19 zusammenwirkt und den Durchsatz von Medium von der Einlaß-
zur Auslaßöffnung PI bzw. PO begrenzt, und einer zweiten Endstellung, in welcher
der Abschnitt 18 reduzierten Durchmessers des Meßschiebers 12 mit dem Gehäusewandabschnitt
19 zusammenwirkt und einen Höchstdurchsatz von der Einlfffnung PI zur Auslaßöffnung
Po gestattet. Die Stellung des Meßschiebers 12 wird vorgegeben durch die Höhe des
an einen weiter unten beschriebenen Elektromagneten angelegten elektrischen Eingangssignals.
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Der Meßschieber 12 wird durch ein Meßmedium verstellt, das durch eine
Öffnung 20 im Meßschieber 12 eintritt und eine kleine Durchsatzsteuerung für vorgegebenen
Durchsatz
mit Druckausgleich durchläuft, welche angenähert pro
Minute ein Viertel des einer an einem Ende des Meßschiebers 12 befindlichen Steuerkammer
21 zugeführten Meßmediums zumißt, wie im nachstehenden beschrieben ist. Die Durchsatz
steuerung liefert einen konstanten Durchsatz an Steuermedium zur Steuerung des Meßschiebers
12 unabhängig von Druckschwankungen des Mediums an der Einlaßöffnung PI.
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Diese innenliegende Durchsatzsteuerung ist in einer Axialbohrung 12
innerhalb des Meßschiebers 12 angeordnet und umfaßt eine Nabe 23 mit einer Innenbohrung
24, welche innerhalb der Axialbohrung 22 gegen ein seitliches Auflager 25 des Meßschiebers
12 anliegt. Die Nabe 23 ist in ihrer Lage vermittels einer Manschette 26 mit einer
Innenbohrung 27 festgelegt, die ihrerseits durch eine Endkappe 28 abgedichtet ist.
Die Nabe 23, die Manschette 26 und die Kappe 28 sind in der Bohrung 22 durch einen
Abstandshalter 29 und eine Federscheibe 30 gesichert.
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Ein Durchsatzsteuerkolben 31 mit einer Innenbohrung 32 und eine Meßdüse
33 sind gleitend verschiebbar in der Innenbohrung 27 der Manschette 26 gelagert.
Eine in der Innenbohrung 32 des Kolbens befindliche Feder 34 liegt gegen die Endkappe
28 an und beaufschlagt den Durchsatzsteuerv kolben 31 gegen die Bodenfläche der
Nabenbohrung 24.
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Die Öffnung 20 ist mit einer weiteren Öffnung 35 in der Seitenwand
der Nabe 23 ausgerichtet und gestattet den Eintritt von Steuermedium in die Bohrung
24. Das in dieser Bohrung befindliche Steuermedium drückt gegen das Ende 36 des
Durchsatzsteuerkolbens 31 an verlagert diesen gegen die Kraft der Feder 34 ausreichend
weit, damit Steuermedium durch die Meßdüse 33 hindurchtreten kann. Aus dem Innenraum
des Kolbens 31 gelangt das Steuermedium durch den Kanal 37 zur Außenseite der Manschette
26, dann durch
Bohrungen 38, 39 in der Endkappe bzw. dem Abstandshalter
29 zur Steuerkammer 21, die aus einer Innenbohrung 40 größeren Durchmessers im Meßschieber
12 besteht. Der Druck des Steuermediums in der Steuerkammer 21 gibt die Stellung
des Meßschiebers 12 vor.
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Die Längsbohrung 13 ist an ihren einen Ende durch einen Stopfen 41
verschlossen, welcher die erste Endstellung des Meßschiebers 12 vorgibt.
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Wenn der Meßschieber 12 von dem Stopfen 41 weg verstellt wird, tritt
Steuermedium aus der Steuerkammer 21 in eine Öffnung 42 ein, welche sich am rechten
Ende der Längsbohrung 13 befindet. Die Öffnung 42 ist über einen Kanal 43 mit einer
Öffnung 44 verbunden, die in das linksseitige Ende der Längsbohrung 13 mündet. Die
Öffnung 44 ist ausgerichtet zu einer seitlichen Bohrung 45 in einer Manschette 46,
die in Preßsitz in die Längsbohrung 13 eingesetzt ist. Die Manschette 46 weist eine
Innenbohrung 47 auf.
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Ein im Gleichgewicht befindliches Sitz-Steuerventil 48 trägt auf seinem
Außendurchmesser 50 Kugellager 49 und ist verschiebbar in der Innenbohrung 47 der
Manschette 46 gelagert. Die Aufgabe des Steuerventils 48 besteht darin, den Druck
des Steuermediums vorzugeben und dadurch die Lage des Meßschiebers 12 in der vorstehend
beschriebenen Weise vorzugeben. Das Steuerventil 48-weist einen verbreiterten Endabschnitt
51 mit einem sich verjüngenden Rand 52 auf, der im Zusammenwirken mit einem an einem
Ende der Manschette 46 ausgebildeten randseitigen Sitz 53 eine zweite Düse veränderlicher
Größe bildet. Der Durchmesser des Sitzrandes 53 ist gleich dem Durchmesser der Innenbohrung
47 in der Manschette 46, so daß die wirksamen
FLächen gleich groß
sind. Daher übt das Steuermedium keine Längskraft auf das Steuerventil 48 aus.
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Das Steuermedium gelangt von der Bohrung 45 durch die Düse veränderlicher
Öffnung hindurch zu einem Hohlraum 45 am linken Ende des Steuerventils 48 und in
einen Kanal 45 im Steuerventil 48. Eine Nabe 56 mit einer Innenbohrung 57 liegt
gegen das eine Ende der Manschette 46 an. Von dem Kanal 55 gelangt das Steuermedium
durch die Innenbohrung 57 in einen Hohlraum 58 in der Längsbohrung 13 zwischen der
Nabe 56 und dem Meßschieber 12. Ein Zwischenraum zwischen der Nabe 56 und einer
mit dem Vorratsbehälter in Verbindung stehenden, T-förmig angeschlossenen Öffnung
gestattet das Austreten von Steuermedium aus dem Hohlraum 58.
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Eine-starke Feder 59 sitzt-an ihrem einen Ende auf einem Vorsprung
60 der Nabe 56, und greift mit ihrem anderen Ende in eine Innenbohrung 61 am linken
Ende des Meßschiebers 12 ein. Die Feder 59 beaufschlagt den Meßschieber 1i gegen
den Stopfen 41 nach rechts.
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Eine schwache Rückkopplungsfeder 62erstreckt sich durch die Innenbohrung
57 in der Nabe 56 hindurch und sitzt mit ihrem einen Ende in einer Bohrung 63 am
rechten Ende des Steuerventils 48, und mit anderen Ende auf einem zylindrischen
Vorsprung 64 an der Nabe 23. Die Rückkopplungsfeder 62 übt eine Kraft auf die rechte
Seite des Steuerventils 48 aus, deren Größe von der Axialstellung des Meßschiebers
12 abhängig ist.
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Auf das Steuerventil 48 wirkt außerdem ein Ankerstift 56 eines Elektromagneten
66 ein, dessen Druckkraft abhängig ist von dem Strom bzw. der Spannung an einem
Elektro magneten 66, welcher den Ankerstift 65 in bekannter Weise
beaufschlagt.
Durch eine bestimmte Stromstärke bzw.
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Spannung am Elektromagneten 66 wird daher eine Kraft gegen das linksseitige
Ende des Steuerventils 48 erzeugt, welches seinerseits im Gleichgewicht gehalten
wird durch die Kraft der auf seine rechte Seite einwirkenden Rückkopplungsfeder
62.
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Zur Beschreibung der Arbeitsweise sei nun anqenommen, daß das Durchsatzsteuerventil
10 geschlossen ist und an dem Elektromagneten 66 ein von der gewünschten Lage des
Meßschiebers 12 abhängiges elektrisches Steuersignal angelegt ist. Das Steuermedium
gelangt aus der Steuerkammer 21 in die Öffnung 42, durch den Kanal 43, die Öffnung
44 und die Bohrung 45 hindurch zum Steuerventil 48. Da sich dieses Steuerventil
48 im Gleichgewichtszustand befindet, wird es durch das Steuermedium nicht verstellt.
Der Druck des Steuermediums in der Steuerkammer 21 nimmt dann so lange zu, bis sich
der Meßschieber 12 ausreichend weit nach links verstellt, so daß die Rückkopplungsfeder
62 auf die rechte Seite des Steuerventils 48 eine Kraft ausübt, die gleich groß
ist der durch den Magnetankerstift 65 gegen die linke Seite des Ventils ausgeübten
Kraft. Der Druck des sich in der Steuerkammer 21 befindlichen Steuermediums kann
dabei, falls erforderlich, bis zur Höhe des Drucks in der Einlaßöffnung PI ansteigen.
In manchen Fällen ist erforderlich, in der Steuerkammer 21 den einlaßseitigen Druck
zu erreichen, so z.B. wenn der Meßschieber 12 durch Verschmutzung in der Längsbohrung
13 verklemmt ist.
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Wenn das in der Steuerkammer 21 befindliche Steuermedium den Meßschieber
12 nach links verstellt und damit einen Querschnitt für die Meßdüse 16, 19 vorgibt,
und die Rückkopplungsfeder 62 auf das Steuerventil 48 eine Kraft ausübt,
die
etwas höher ist als die durch den Magnetankerstift 65 gegen die linke Seite des
Steuerventils 48 ausgeübte Kraft, hebt der sich verjüngende Rand 52 des Steuerventils
48 sich noch weiter von dem Sitz 53 ab. Daher strömt mehr Steuermedium durch die
durch Rand 52 und Sitz 53 yebildete zweite Düse veränderlicher Größe zum Vorratsbehälter,
und der Druck des Steuermediums steigt nicht länger an. In diesem Zeitpunkt kommt
die nach links gerichtete Verstellung des Meßschiebers 12 zum Stillstand.
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Bei Änderung des an den Elektromagneten 66 angelegten elektrischen
Steuersignals verändert sich die von dem Magnetankerstift 65 gegen das Steuerventil
48 ausgeübte Kraft, wodurch dieses außer Gleichgewicht gelangt und die Größe der
zweiten Düse veränderlicher Öffnung verändert.
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Das Steuermedium verlagert den Meßschieber 12 so lange, bis auf das
Steuerventil 48 an beiden Enden gleich hohe Kräfte einwirken.
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Die Fläche der Meßdüse 16, 19 ist daher vorgegeben durch die von dem
Magnetankerstift 65 auf das Steuerventil 48 ausgeübte Kraft, welche ihrerseits die
Größe der zweiten, veränderlichen Düse und den Druck des Steuermediums vorgibt.
Bei Ausüben einer größeren Kraft auf das Steuerventil 48 durch den Magnetankerstift
65 wird die Größe der zweiten, veränderlichen Düse 52, 53 verringert und der Druck
des Steuermediums gesteigert. Aufgrund dieses gesteigerten Drucks wird der Meßschieber
12 nach links verstellt, wodurch die Hauptdüse vergrößert wird.
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L e e r s e i t e