DE69205191T2 - Durchflussregelventil. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Ventil zum Regulieren des Flusses eines Fluids, insbesondere auf ein Zweiwegeventil mit variabler Strömung zur Verwendung bei der Steuerung von Betätigungseinrichtungen in einem elektronisch gesteuerten Servo-Mechanismus.
• Es ist bekannt, daß insbesondere in hydraulischen Steuerkreisen für eine Servobremse oder eine Servolenkung elektromagnetische Ventile vorgesehen werden müssen, um den Fluß des Fluids, der in dem hydraulischen Kreis zirkuliert, zu steuern. Es ist bekannt, daß Proportional-Ventile für diesen Zweck verwendet werden können, und hierdurch kann eine zufriedenstellend genaue Beziehung zwischen der Änderung in dem Fluß des Fluids in dem Kreis und der Änderung der elektrischen Versorgungsspannung oder des -stroms zu dem Ventil erreicht werden. Allerdings besitzen diese Ventile einige Nachteile, einschließlich der Tatsache, daß sie ziemlich teuer sind und ermöglichen, daß fluid hindurchführt, wenn sie sich in der geschlossenen Position befinden.
• Ventile des "Ein-Aus" -Typs, die nicht so teuer wie die Vorstehenden sind, die perfekt fluiddicht sind, wenn das Ventil geschlossen ist, mit denen allerdings eine kontinuierliche Regulierung des Flusses nicht möglich ist, sind auch bekannt.
• Weiterhin ist aus der EP-A-0 204 293 die Verwendung eines Proportional-Solenoiden in hydraulischen Anwendungen bekannt.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil für einen hydraulischen Kreis zu schaffen, insbesondere für die Steuerung von Servo-Mechanismen, derart, daß der Fluß der Fluids, das in dem Kreis oder einem Teil davon zirkuliert, kontinuierlich innerhalb eines bestimmten Bereichs reguliert werden kann, das ökonomisch herzustellen ist und das zu einer Nullströmung führt, wenn das Ventil geschlossen ist, und zwar ohne ein Durchsickern.
• Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Durchflußregelventil gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun eine nicht einschränkende Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung vorgenommen, in der eine Ansicht eines Durchflußregelventils gemäß der Erfindung in einem seitlichen Querschnitt dargestellt ist.
• Wie die Figur zeigt, ist mit 1 ein Durchflußregelventil bezeichnet, das einen bewegbaren Kern 2 aus einem ferromagnetischem Material einer zylindrischen Form, eine schraubenförmige Feder 3 einer vorbestimmten Steifigkeit, die koaxial zu dem ferromagnetischen Kern 2 verläuft und zusammen damit so wirkt, um seiner Bewegung in einer vorbestimmten Richtung entgegenzutreten, und einen Elektromagneten 4 aufweist, der wiederum eine Spule 5 aufweist, die um ein magnetisches Joch (6) gewickelt und mittels Verbindern 7 an einer elektronischen Versorgungs- und Steuervorrichtung verbunden ist, die bekannt ist und zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Das Ventil 1 weist auch einen hydraulischen Kreis 11, der Innerhalb eines Gehäuses 10 davon vorgesehen ist, und eine Einlaßrohrverbindung 12, eine Auslaßrohrverblndung 13 und eine Buchse 14, die zwischen den Rohrverblndungen 12, 13 plaziert ist, in der eine kalibrierte Öffnung 15 vorgesehen ist, um so zuzulassen, daß fluld von der Rohrverbindung 12 zu 13 hindurchführt, auf. Gemäß der Erfindung besitzt der magnetische Kern 2 integral damit an einem Ende 8 einen Nadelverschluß 16 vom Dreieckstyp, der, wenn er in Benutzung ist, ganz oder teilweise die Öffnung 15 verschließen kann.
• Das Joch 6, das von einer rohrförmigen, zylindrischen form ist, steht seitlich vor, wobei es einen Vorsprung von dem Elektromagneten 4 mittels einem Ende 7 bildet, das eine Verbindung vom Fluidtyp mit dem Gehäuse 10 herstellt und selbst einen Hohlraum 21 besitzt, in dem die Feder 3 und der Kern 2 untergebracht sind, die sich in einer axialen Richtung in dem Hohlraum 21 bewegen können, und steht davon mit einem Vorsprung in Form seines Endes 8 innerhalb des Gehäuses 10 vor, wenn sich der Verschluß 16 in einer geschlossenen Position befindet, die nicht dargestellt ist, und in der er vollständig nach links hin verschoben ist, wobei er gegen die Buchse 14, im Gegensatz zu dem, was in der figur dargestellt ist, anstößt, wo er vollständig die Öffnung 15 verschließt. Die Feder 3 ist koaxial zu dem Kern 2 und dem Hohlraum 21 befestigt und wirkt durch Anlagerung gegen eine axiale Schulter 22 des Hohlraums 21 und gegen ein Ende 9 des Kerns 2.
• Ein Ende 23 des Jochs 6 ist mit einem Innengewinde versehen, während die Schulter 22 durch die innere fläche eines Stopfens 24 festgelegt ist, der in das Ende 23 des Jochs 6 derart eingeschraubt ist, daß die Feder 3 mit irgendeinem erwünschten Wert vorgespannt werden kann.
• Der Kern 2 bildet einen Teil eines magentischen Kreises, der insgesamt mit 25 bezeichnet ist, der, zusätzlich zu dem Kern 2, einen Elektromagneten 4, ein Joch 6, einen Luftspalt 26, der durch das axiale Spiel zwischen dem Kern 2 und einem Stopfen 24 festgelegt ist, aufweist, der den maximalen Abstand bestimmt, der für eine Bewegung durch den Kern 2 zur Verfügung steht, und einen Luftspalt 26a, der durch das radiale Spiel zwischen dem Joch 6 und einem Bereich 27 des Kerns 2 festgelegt ist, der dann, wenn er in Benutzung ist, zu dem Teil des Jochs 6 hin gerichtet ist, indem die Flußlinien, die durch den magnetischen Kreis 25 hindurchführen, geschlossen sind. Gemäß der Erfindung besitzt der Bereich 27 des Kerns 2 keinen konstanten Durchmesser, sondern ist anstelle davon mit einem radialen Profil so geformt, um die magnetische Reluktanz des magnetischen Kreises 25 im wesentlichen immer konstant zu halten, wenn sich die axiale Position des Kerns 2 ändert. Tatsächlich besitzt der Bereich 27 eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Form so, daß er, einer axialen Verschiebung des Kerns 2 in dem Hohlraum 21 folgend, der Änderung der Freiräume oder Luftspalte 26 und 26a folgt, die, auf der Basis, was schon beschrieben worden ist, beide Einheiten sind, die variieren, wenn die relative axiale Position zwischen dem Kern 2, dem Joch 6 und dem Stopfen 24 variiert, Immer umgekehrt proportional ist, um so den Wert der Summe der Werte der zwei Luftspalte 26 und 26a immer konstant zu halten.
• Insbesondere wird sich, wenn sich die axiale Position des Kerns 2 ändert, sich die axiale Position des Bereichs 27 des reduzierten Durchmessers auch als Folge davon ändern, und zwar durch die Wirkung des Elektromagneten 4 und der daraus folgenden Verschiebung des Kerns 2 nach rechts, der Luftspalt 26 reduziert sich und der Luftspalt 26a wird vergrößert, um so die gesamte magnetische Reluktanz des Kreises virtuell konstant zu halten. Es sollte angemerkt werden, daß der Ausdruck "virtuell konstant" dazu vorgesehen ist, eine zufriedenstellend kleine Änderung in der Reluktanz zum Ausdruck bringen (gleich eines Bruchteils eines Prozents der Gesamtreluktanz des Kreises 25), die allerdings dennoch meßbar ist. In Kombination mit diesem ersten Merkmal ist die Feder 3 so ausgelegt, daß sie eine Steifhelt besitzt, so daß sie eine entgegengesetzte Rückstellkraft gegen den Kern 2, mit F angezeigt, beaufschlagen kann, wobei die Änderung davon, die einer relativen Verschiebung a zwischen dem Joch 6 und dem Kern 2 folgt, immer größer als die entsprechende Änderung in der anziehenden Kraft ist, die auf den Kern 2 durch den Elektromagneten 4 als Folge derselben relativen Verschiebung ausgeübt wird und davon abhängt, daß durch die axiale Verschiebung a des Kerns 2 in dem Joch 6 eine Änderung sowohl in dem Luftspalt 26 als auch in dem Luftspalt 26a (als Folge des Abnehmens des Durchmessers in dem Bereich 27) erhalten wird, derart, daß die Reduktion in dem Luftspalt 26 durch das Vergrößern des Luftspalts 26a kompensiert wird, wodurch die Reluktanz des Systems im wesentlichen konstant gehalten wird.
• Im Gebrauch wird, wenn der Elektromagnet 4 bei Benutzung nicht erregt wird, der Kern 2 nach links durch die Feder 3 (die eine vorbestimmte Steifigkeit besitzend vorgespannt ist) in die vorstehend angegebene geschlossene Position verschoben, in der der Nadelverschluß 16 vollständig die kalibrierte Öffnung 15 des hydraulischen Kreises 11 verschließt, wodurch demzufolge sichergestellt wird, daß das Ventil geschlossen und pefekt fluiddicht ist.
• Gemäß der Erfindung führt Fluld durch die Öffnung 15 hindurch, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule 5 mittels der elektronischen Steuervorrichtung, die nicht dargestellt ist, hindurchgeführt wird. Dies wiederum bewirkt, daß die Spule 5 ein magnetisches Feld erzeugt, das seine eigenen Kraftlinien durch den Kern 2 schließt, um in Folge davon letzteren in das Joch 6 mit einer darauffolgenden axialen Verschiebung des Kerns 2 nach rechts hin zu ziehen, wodurch die Feder 3 zusammengepreßt und der Verschluß 16 nach rechts verschoben wird, um so die Öffnung 15 zu öffnen. Die charakteristische Form des Kerns, die dazu führt, daß die magnetische Reluktanz des magnetischen Kreises 25 im wesentlichen fast konstant ist, wenn sich die axiale Position des Kerns 2 innerhalb des Hohlraums 21 ändert, und die entgegenwirkende Kraft der Feder 3, die sich mit der Änderung der Kompression stärker als der Betrag ändert, mit dem die anziehende Kraft, die durch den Elektromagneten 4 auf den Kern 2 ausgeübt wird, variiert, bringt zum Beispiel, nachdem sich der Kern 2 um einen Abstand a verschoben hat, einen Zustand eines Gleichgewichts zwischen den Kräften mit sich, die auf den Kern 2 einwirken (magnetische Anziehung und entgegenwirkende Kraft F), was verhindert, daß sich der Kern 2 zu dem Ende seines Verschiebewegs hin bewegt, wie dies anstelle hiervon in bekannten "Ein-Aus" -Ventiltypen auftritt. Diese Gleichgewichtsposition hängt von der Stärke des magnetischen felds und deshalb von der Stärke des zugeführten Stroms (und/oder der Spannung) in der Spule 5 ab. Als Folge hiervon können der Kern 2 und der entsprechende Verschluß 16 selektiv in einer Vielzahl unterschiedlicher axialer Positionen hinsichtlich des Jochs 6 zwischen der geschlossenen Position und dem entgegengesetzten Ende der Verschiebeposition (nicht dargestellt), in der der Kern 2 vollständig nach rechts hin verschoben ist, wo er gegen den Stopfen 24 anstößt, angeordnet werden, um dadurch geeignet den Strom oder die Spannung in der Spule 5 mittels des elektronischen Steuerkreises zu steuern. Als eine Folge kann die Öffnung 15 in einer kontinuierlich variablen Art und Weise mit einer daraus folgenden kontinuierlichen Variation in der Strömung des Fluids, das durch das Ventil 1 hlndurchführt, auf einen erwünschten Wert gedrosselt werden, einen Wert, der ausschließlich, wie zuvor beschrieben worden ist, von dem Strom abhängig ist, der der Spule 5 zugeführt wird.
• Gemäß einer möglichen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, kann die Spule 5, anstelle daß sie kontinuierlich durch den Strom oder die Spannung von einem elektronischen Steuerschaltkreis angesteuert wird, um die Stärke des Magnetfelds zu verändern, das durch sie erzeugt wird, durch eine Vielzahl von Spulen längs nebeneinander ersetzt werden, die unabhängig oder in Kombination miteinander durch eine geeignete Steuervorrichtung gesteuert werden können, um dadurch eine Vielzahl magnetischer Felder zu erzeugen, die alle additiv auf die Spule 2 einwirken, um es so möglich zu machen, die Spule 2 in einer diskreten Vielzahl unterschiedlicher axialer Positionen zu positionieren, um dadurch eine dlskrete Anzahl unterschiedlicher Fluidflüsse bzw. -strömungen zu erhalten.
• Die Vorteile, die der Erfindung zuzuordnen sind, sind aus dem ersichtlich, was beschrieben worden ist. Das Durchflußregelventil, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, macht es möglich, einen Fluidfluß zu erhalten, der mit der Versorgung des Elektromagneten variiert und billiger als die Proportional-Ventile, die bisher bekannt sind, herzustellen ist, während gleichzeitig eine effektive Dichtung erzielt wird, wenn das Ventil geschlossen ist, was zuvor nur für Ventile vom "Ein-Aus" -Typ charakteristisch war.
• Schließlich wird deutlich, daß ähnliche Vorteile durch Anwendung desselben erfindungsmäßigen Konzepts bei einem Ventil des Typs erreichbar sind, das normalerweise offen (ohne Erregung) ist, anstelle des Typs, der normalerweise geschlossen ist, wie beispielsweise die nicht einschränkende Ausführungsform, die dargestellt und beschrieben ist. Ein solches Ventil, das mit einem ansteigenden Strom versorgt wird, würde sich fortschreitend schließen, bis es vollständig geschlossen ist, wenn der Erregungsstrom den vorbestimmten Wert übersteigt.

Claims (6)

1. Durchflußregelventil, das eine hydraulische Drosseleinrichtung und eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung zum Steuern der hydraulischen Drosseleinrichtung aufweist, die eine Verschlußeinrichtung (16) umfaßt, wobei die Betätigungseinrichtung einen Elektromagneten (4) aufweist, der einen bewegbaren Kern (2) aus ferromagnetischem Material, ein magnetisches Joch (6), mindestens eine Spule (5), die auf das Joch (6) gewickelt ist, und eine Federeinrichtung (3) für den Kern (2) aufweist, wobei das magnetische Joch (6) einen inneren, axialen Hohlraum (21) besitzt, der mit einer axialen Schulter (22) endet, die durch die innere Fläche eines Stopfens (24) des Jochs (6) festgelegt ist, und der Kern (2) mit der Verschlußeinrichtung (16) verbunden ist und mindestens teilweise in einer gleitenden Art und Weise in dem Hohlraum (21) des Jochs (6) für eine Bewegung relativ zu dem Joch (6) in der axialen Richtung untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß

(i) die Betätigungseinrichtung weiterhin einen magentischen Kreis (25) aufweist, der den Kern (2), das Joch (6), einen ersten variablen Luftspalt (26) zwischen dem Joch (6) und dem Kern (2), der axial an einem ersten Ende des Kerns (2), das zu dem Joch (6) hin gerichtet ist, und in der Richtung der Verschiebung des Kerns (2) vorgesehen ist, und zwar zwischen dem ersten Ende des Kerns (2) und der axialen Schulter (22) des Jochs (6), und einen zweiten variablen Luftspalt (26a) zwischen dem Joch (6) und dem Kern (2), der radial an einem Bereich (27) des Kerns (2) gegenüberliegend dem ersten Ende vorgesehen ist, umfaßt, wobei der Bereich (27) ein im wesentlichen kegelstumpfförmiges Profil besitzt;

(ii) der zweite Luftspalt (26a) so ausgelegt ist, um sich zu verkleinern, wenn sich der erste Luftspalt (26) vergrößert, und vice- versa, um die magnetische Reluktanz des magnetischen Kreises (25) in Abhängigkeit einer axialen Verschiebung des Kerns (2) hinsichtlich des Jochs (6) im wesentlichen konstant zu halten;

(iii) die Federeinrichtung (3) für den Kern innerhalb des ersten variablen Luftspalts (26) zwischen dem ersten Ende des Kerns (2) und der axialen Schulter (22) des Jochs eingesetzt ist und eine elastische Konstante derart besitzt, um, in Abhängigkeit einer axialen Verschiebung des Kerns (2) In Bezug auf das Joch (6), eine Variation der entgegengesetzten Kraft gegen den Kern (2) größer als die entsprechende Variation der anziehenden Kraft, die auf den Kern (2) durch das Joch (6) als folge der Verschiebung des Kerns (2) ausgeübt wird, zu erzeugen.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (4) von einem Typ ist, der dazu geeignet ist, daß er mittels entweder einer Spannung oder eines Stroms steuerbar ist.

3. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraullsche Drosseleinrichtung auch einen hydraulischen Kreis (11) aufweist, der mindestens eine Elnlaßrohrverbindung (12), mindestens eine Auslaßrohrverbindung (13) und eine Buchse (14) aufweist, die mit einer kalibrierten Öffnung (15) versehen ist, die zwischen den zwei letzteren angeordnet ist und durch die Verschlußeinrichtung (16) gesteuert wird.

4. Ventll nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung integral mit dem Kern (2) gebildet ist und eine Nadel einer konischen form aufweist, die dazu geeignet ist, die kalibrierte Öffnung (15) durch unterschiedliche Beträge in Relation zu der relativen, tatsächlichen Position zwischen dem Kern (2) und dem Joch (6) zu bringen.

5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die federeinrichtung (3) eine schraubenförmige Feder einer vorbestimmten Steifheit koaxial zu dem Magnetkern (2) und koaxial zu dem Hohlraum (21) aufweist und so untergebracht ist, daß sie gegen die axiale Schulter (22) in dem Hohlraum (21) und gegen ein Ende des Kerns (2) anstößt.

6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Joch (6) von einer rohrförmigen, zylindrischen Form ist, wobei das Joch (6) innen an einem Ende mit einem Gewinde versehen ist und an seinem entgegengesetzten Ende seitlich mit einem Vorsprung von dem Elektromagneten (4) vorsteht, wobei die axiale Schulter (22) des Hohlraums (21) durch einen Stopfen (24) festgelegt ist, der in das Gewindeende des magnetischen Jochs (6) eingeschraubt ist.