DE7301853U - Digitales Druckregelventil - Google Patents

Description

Digitales Druckregelventil

Die Erfindung bezieht ßich auf ein digitales Druckregelventil, insbesondere für elektro-hydraulische Servosysteme.

Das digitals Druckrsgelvsntil kamt vor stllesi siuch. bei elektro-hydraulischen Servosystemen zur Verstellung beweglicher Teile um eine Strecke entsprechend einem digitalen Eingangssignal, insbesondere zur Steuerung von Plugzeugen und Werkzeugmaschinen, verwendet werden, wobei ein zweistufiges Servoventil und ein an dessen zweiter Stufe angeschlossener Stellmotor vorgesehen sind.

In der Steuerungs- und Regelungstechnik, insbesondere bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen und Plugzeugen, gibt man immer mehr der Informationsübertragung mittels digitaler Signale den Vorzug. Damit ist vor allem eine hohe Übertragungsgenauigkeit, eine informationsverlustlose Speicherbarkeit und Verarbeitbarkeit sowie eine flexible Programmierbarkeit der jeweiligen Aufgabe ermöglicht. Bei Plugzeugen ist die Vermittlung von Steuerinformationen mittels digitaler Signale insbesondere im Hinblick auf die Pehler- und Ausfallerkennung und somit die Zuverlässigkeit der Steuerung vorteilhaft.

Beim bisherigen Arbeiten mit digitalen Signalen ist man so vorgegangen, daß man diese vor Verarbeitung in einem elektro-hydraulischen Servosystem mittels eines elektronischen Digital-Analog-Umsetzers in analoge signale umgewandelt hat, mit denen das analoge Servosystem beaufschlagt wird. Auch hat man bereits versucht, ohne einen solchen elektronischen Digital-Analog-Umsetzer auszukommen und digitale Servosysteme zu entwickeln, welche also unmittelbar mit digitalen Signalen beaufschlagt werden können. Diese Lösungen sind jedoch nachteilig und bisher nicht zufriedenstellend.

So ist beispielsweise ein digitales elektro-hydraulisches Servosystem mit einem digitalisierten Stellmotor entwickelt worden, welcher aus mehreren hintereinanderge-Bchalteten Kolben/Zylinder-Einheiten besteht, wobei jeder Einheit ein Steuerventil zugeordnet ist und diese Ventile jeweils in einer Kombination entsprechend dem eingehenden Digitalsignal betätigt werden, so daß die Ausgangskolbenstange des Stellmotors jeweils um eine Strecke ausgefahren wird, welche dem digitalen Eingangssignal und der Summe der Hübe der jeweils ausgefahrenen Einzelheiten entspricht. Die Länge des Hubes jeder einzelnen Kolben/Zylinder-Einheit ist entsprechend dem Wert des zugehörigen Einzelsignals im eingegebenen, binär kodierten Gesamtsignal ausgebildet. Als nachteilig ist insbesondere anzusehen, daß der kleinste, technisch realisierbare Hub (meistens größer als 0,1 mm) die Auflösungsgenauigkeit begrenzt, die Baulänge des gesamten Stellmotors, im Vergleich mit dem erreichbaren Gesamthub, sehr groß ist, und schließlich das dynamische Verhalten nicht zufriedenstellend ist.

Auch ist es bekannt, konventionelle analoge elektro-Liydraulische Servosysteme mit einem zweistufigen Servoventil, einem Arbeitszylinder als Stellmotor und einer mechanischen Sückführuiig auf die erste Servoventil stufe dadurch zv. digitalisieren, daß statt des analogen Drehmomentmotors des Servoventils ein digitalisierter Drehmomentmotor verwendet wird, welcher aus mehreren, binär gestuften Wicklungen besteht und die erste Stufe des Servoventils entsprechend dem jeweils eingegebenen, binär kodierten Digitalsignal ansteuert. Bei dieser Lösung ist insbesondere nachteilig, daß die einzelnen Wicklungen des Drehmomentmotors ein temperaturabhängiges Drehmoment erzeugen. Durch verschieden häufige Betätigung weisen die Wicklungendes Motors verschiedene Temperaturen auf, so daß nicht gewährleistet ist, daß bei demselben Eingangssignal immer dasselbe Drehmoment im Motor erzeugt und die erste Stufe des angeschlossenen Servoventils stets genau gleich beeinflußt wird.

Trotz dieser Entwicklung (VDI-Berichte Nr. 107, 1966, Seiten 11 bis 14- DFL-Mitteilungen, Heft 8, 1968, Seiten 393 bis 404) besteht nach wie vor die Aufgabe, elektro-hydraulische Servosysteme für die digitale Steuerungsund Regelungstechnik so auszubilden, daß sie bei unmittelbarer Beaufschlagung mit binär kodierten digitalen Eingangssignalen zuverlässig arbeiten, wobei die dazu erforderlichen Geräte von möglichst geringen Abmessungen und einfachem Aufbau sein sollen.

Dies ist mit einem digitalen Druckregelventil der eingangs angegebenen Art erreicht, welches gekennzeichnet ist durch mehrere mit einem Ventilkörper zusammenwirkende Federn und mehrere Elektromagnete, welche jeweils einer Feder zugeordnet sind und bei Erregung die zugehörige Feder

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auf den Ventilkörper einwirken lassen oder umgekehrt die zuvor gegebene Einwirkung aufheben, so daß dieser mit einer dem jeweiligen elektrischen, den Elektromagneten aufgfigebfinen digitalen., binär kodierten EinÄasÄSsiRnal entsprechenden Gesamtfederkraft beaufschlagbar ist.

Der Ventilkörper überwacht den Druck in einem angeschlossenen, mit einem Verbraucher verbindbaren Kanal, welcher Druck sich entsprechend der besagten Gesamtfederkraft einstellt. Um in dem Kanal einen bestimmten Basisdruck aufrechtzuerhalten, kann der Ventilkörper ständig von einer Feder beaufschlagt sein, welcher also kein Elektromagnet zugeordnet ist. Es muß dann mindestens eine weitere Feder vorgesehen sein, der ein Elektromagnet zugeordnet ist.

Das Druckregelventil ist digital ansteuerbar, und zwar ungestört durch irgendwelche Temperatureinflüsse, so daß bei ein und demselben Eingangssignal stets derselbe Ausgangsdruck sich ergibt. Weiterhin zeichnet sich das erfindungsgemäße Druckregelventil durch einfachen Aufbau aus.

Es kann insbesondere als erste Stufe bei allen bekannten zweistufigen Servoventilkonstruktionen für slektrohydraulische Servosysteme verwendet werden. Jedoch sind auch andere Anwendungsmöglichkeiten gegeben.

Vorzugsweise wirken die Federn über einen zweiarmigen Hebel mit dem Ventilkörper zusammen. Der Hebel kann balken- oder plattenförmig ausgebildet sein.

Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten der Federanordnung und -ausgestaltung gegeben. So können identische Federn in unterschiedlichem Abstand von der Hebelschwenkachse

angeordnet sein, wobei die Abstände entsprechend den Wert oder Gewicht des dem der jeweiligen Feder zugeordneten Elektromagneten zugeordneten Bits im binär kodierten Eingangssignal gewählt sind. Statt dessen können auch Federn unterschiedlicher Vorspannkräfte mit demselben Abstand von der Hebelschwenkachse vorgesehen sein. Die Vorspannkräfte sind dann so ausgewählt, wie vorstehend für die Abstände geschildert.

Mit Vorteil ist der Ventilkörper als eine mit einem Kegelsitz zusammenwirkende Kugel oder als Stößel ausgebildet. Statt dessen kanu der Ventilkörper auch als eine mit einer Düse zusammenwirkende Prallplatte ausgebildet sein.

Bei der eingangs erwähnten Verwendung Ln elektrohydraulischen Servosystemen wird das digitale Druckregelventil als erste Servoventilstufe und als zweite Servoventilstufe ein an sich bekannter, von dem durch den Ventilkörper überwachten Druck gesteuerter Steuerschieber vorgesehen. Dabei kann zur mechanisch-hydraulischen Rückführung zwischen dem Stellglied des Stellmotors und dsm Steuerschieber ein Druckregelventil vorgesehen werden, welches den Beaufschlagungsdruck des Steuerschiebers auf der der ersten Servoventilstufe abgewandten Seite entsprechend der jeweiligen Stellgliedstellung einstellt, oder zur mechanischen Rückführung zwischen dem Stellglied des Stellmotors und dem Steuerkolben des Steuerschiebers auf der der ersten Servoventilstufe abgewandten Seite eine Druckfeder, welche vom Stellglied entsprechend dessen jeweiliger Stellung vorgespannt wird* bzw. zwischen dem Stellglied des Stellmotors und dem Ventilkörper des die erste Servoventilstufe bildenden Druckregelventils eine Druckfeder, welche den Ventilkörper entgegen den anderen Federn entsprechend der jeweiligen Stellung des Stellgliedes belastet.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, digitalen Druckregelventils beispielsweise beschrieben. Dtrin zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes digitales Druckregelventil, angeschlossen an einen beliebigen Verbraucher; und

Fi-5. 2 das digitale Druckregelventil gemäß Fig. 1 hei der Verwendung in einem elektro-hydraulischen Servosystem.

Das Druckregolventil 1 ist gemäß Fig. 1 einerseits an eine Druckmittelleitung 2 und andererseits an eine zu einem nicht dargestellten Druckmittelreservoir führende Dn¹Ckmittelleitung 5 angeschlossen. Die Druckmittelleitung 2 ist über eine Drossel 4· mit einer nicht dargestellten Druckmittelquelle verbunden, ferner zwischen Druckregelventil 1 und Drossel 4 mit einem Verbraucher 5· Das Druckregelventil 1 gewährleistet einen bestimmten Druck in der Leitung 2, mit welchem der Verbraucher 5 beaufschlagt wird, und welcher einem binär kodierten, digitalen Eingangssignal genau entspricht, welches dem Druckregelventil 1 aufgeceben wird.

Das Druckregelventil 1 besteht im wesentlichen aus einem als eine mit einem Kegelsitz 6 zusammenwirkende Kugel 7 ausgebildeten Ventilkörper, einem um eine Achse 8 verschwenkbar gelagerten, balkenförmigen, zweiarmigen Hebel 9, mehreren mit unterschiedlichem Abstand von der Hebelschwenkachse 8 angeordneten, identischen Druckfedern 10, denen jeweils ein Elektromagnet 11 zugeordnet ist, und einer weiteren Druckfeder 12.

Die Druckfeder 12 liegt der Kugel 7 gegenüber und drückt den Hebelarm 9 sowie die Kugel 7 ständig auf den Kegelsitz 6 zu. Die Druckfedern 10 sind zur Beaufschlagung des anderen Armes vom zweiarmigen Hebelarm 9 angeordnet, um diesen ebenfalls in Richtung der Feder 12, d.h. auf die Kugel 7 hin. zu belasten.

Die Druckfedern 10 liegen jeweils über einen Federteller 13 am Stößel 14 des zugehörigen Elektromagneten 11 an. Ist dieser nicht erregt, dann hält der Stößel 14 den Federteller 13 im Abstand vom Hebel 9» so daß dieser von der entsprechenden Feder 10 nicht belastet wird. Wird dagegen der Elektromagnet 11 erregt, dann wird der Stößel 14 eingezogen, so daß die zugehörige Feder 10 gegen den Hebel 9 drückt. Dies ist bei der mittleren Feder 10 der Ausführungsform gemäß Fi.55«. 1 der Fall. Diese mittlere Feder 10 wirkt also zusammen mit der Druckfeder 12 auf die Kugel 7 ein. Diese wird andererseits von dem in der Leitung 2 befindlichen Druckmittel beaufschlagt, welches ständig über die Drossel 4 zuströmt und an der Kugel 7 vorbei in die Lextung 3 gelangt. Der Druck in der Leitung 2 entspricht der Belastung der Kagel 7 durch den Hebel 9» welcher seit 3t durch die Feder 12 und die mittlere Feder 10 beaufschlagt ist.

Die Belastung der Kugel 7 durch den Hebel 9 hängt davon ab, in welcher Kombination die Federn 10 auf den Hebel 9 zur Einwirkung kommen. Jede Feder 10 drückt zwar mit derselben Kraft auf den Hebel 9> doch hat dies jeweils eine andere Belastung der Kugel 7 zur Folge, da die Federn 10 in unterschiedlichem Abstand von der Schwenkachse 8 des Hebels 9 angeordnet sind.

Dieser Abstand ist entsprechend dem Wert oder Gewicht desjenigen Bits im binär kodierten, digitalen Eingangssignal gewählt, mit welchem der der jeweiligen Feder 10 zugeordnete Elektromagnet 11 beaufschlagt wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden dem digitalen Druckregelventil 1 dreistellige digitale elektrische Signale binärer Kodierung aufgegeben. Diese gehen über drei parallele elektrische Leitungen zu, welche jeweils mit einem Elektromagneten 11 verbunden sind. Bei jeder Signaleingabe wird der Bit niedrigsten Wertes mit dem Bewert^ngsffektor 2 dem der Hebelschwenkachse 8 am nächsten liegenden Elektromagneten 11 aufgegeben, der nächst höher bewertete Bit mit dem Bewertungsfaktor 2 dem anschließenden Elektromagneten 11 und der höchstbewertete Bit mit dem Bewertungsfaktor 2 dem Elektromagneten 11, welcher am weitesten von der Achse 8 entfernt ist. Entsprechend den Bewertungsfaktoren ist der zweite ode^ mittlere Elektromagnet 11 von der Hebelschwenkachse 8 doppelt so weit entfernt wie der der Schwenkachse 8 benachbarte Elektromagnet 11, der äußerste Elektromagnet 11 dagegen viermal so weit.

Statt dessen könnten die Druckfedern 10 auch alle mit demselben Abstand von der Hebelschwenkachse 8 angeordnet sein, wenn die Vorspannkräfte der Federn entfrprechend abgestuft sind, d.h. jede Feder bei Erregung des zugehörigen Elektromagneten 11 mit einer dem Wert oder Gewicht des dem Magneten 11 aufgegebenen Bits entsprechenden Kraft auf den Hebel 9 drückt.

Auch eine Kombination dieser beiden grundsätzlichen Möglichkeiten kann realisiert werden. Selbstverständlich sind auch Ausgestaltungen möglich, welche mit binären Signalen von mehr als drei Stellen beaufschlagt werden können.

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Weiterhin kann die Anordnung auch umgekehrt getroffen sein, so daß die Federn 10 dann, wenn der zugehörige ¹.'. itromagnet 11 nicht erregt ist, den Hebel 9 belasten, um atmheben, wenn der zugehörige Elektromagnet H erregt ist. Auch auf diese Weise ist eine Belastung der Kugel 7 entsprechend dem jeweiligen, binär kodierten, digitalen Eingangssignal gegeben.

In Fig. 2 ist die Verwendung des digitalen Druckregslventils 1 gemi'.ß Fig. 1 in einem elektro-hydraulischen Servosystem zur Verstellung beweglicher Teile, beispielsweise eines Flugzeugruders, um eine Strecke entsprechend einem digitalen Eingangssignal dargestellt. Das Servosystem weist als Stellmotor einen Stellzylinder 15 niit Kolben 16 und Kolbenstange 17, ein zweistufiges Servoventil, dessen erste Stufe aus dem digitalen Druckregelventil 1 und deäsen zweite Stufe aus einem Steuerschieber 18 besteht, und ein zweites Druckregelventil 19 zwischen dem Schieber 18 und dem Stelizylinder 15 auf.

Air, Verbraucher ist also an die Druckmittelleitung 2 des Druckregelventils 1 der Steuerschieber 18 angeschlossen. Der Steuerschieber 18 ist symmetrisch ausgebildet und weist einen dreistufigen Steuerkolben 19-¹ auf, welcher durch zwei Druckfedern 20 in Mittelstellung belastet ist, und dessen beide äußere Stufen zwei äußere Hingräume 21 überwachen, welche an das nicht dargestellte Druckmittelreservoir angeschlossen sind, während die mittlere Stufe des Kolbens 19' einen Hingraum 22 überwacht, der an die gleichfalls nicht wiedergegebene Druckmittelquelle angeschlossen ist. Zwischen jedem äußeren Eingraum 21 und dem mittleren Hingraum 22 steht der Steuerschieber 18 über jeweils eine Druckmittelleitung 23

bzw. 24- mit dem Stellzylinder 15 in Verbindung, und zwar einerseits bzw. andererseits vom Kolben 16.

Das Drucki-egelvöJitii 19 weist äina sit einem Segelsitz 25 zusammenwirkende Kugel 26 auf, welche von einer Druckfeder 2? belastet ist. Die Vorspannung dieser Feder 27 ist über einen axial verschieblichen Stempel 28 veränderlich, welcher an einem Steuernocken 29 der Kolbenstange 1? anliegt. Das Druckregelventil 19 ist ebenso wie das Druckregelventil 1 einerseits an das Drucksoittelre servo ir angeschlossen, andererseits über eine Drossel 30 mit der nicht gezeichneten Druckmittelquelle verbunden, welche auch über die Drossel 4-das Druckregelventil 1 beaufschlagt. Das von der Drossel 30 über die Leitung 31 zulaufende Druckmittel umströmt die Kugel 26, um in das Druckmittelreservoir zu gelangen. Die Leitung 31 ist zwischen Drossel 30 und Druckregelventil 19 an den Steuerschieber 18 angeschlossen, und zwar auf der dem Druckregelventil i abgewandten Seite. Der Dr-ück in. der Leitung 31» welcher auf den Kolben 19' des Schiebers 18 einwirkt, hängt von der Vorspannung der Feder 27 im Ventil 19 ab, diese wiederum von der Stellung des Steuernockens 29 und somit dsr Kolbenstange 17 bezüglich des Ventils 19, d.h. im Stellzylinder 15.

Die Wirkungsweise des Servosystems nach Fig. 2 ist folgende. Soll ein an die Kolbenstange 17 bei 32 angeschlossenes Bauteil, beispielsweise ein Flugzeugruder, um ein bestimmtes Ausmaß verstellt werden, dann wird das digitale Druckregelventil 1 mit einem entsprechenden digitalen, binär kodierten Eingangssignal beaufschlagt. In der Leitung 2 stellt sich dann ein entsprechender Druck ein. Soll beispielsweise die Kolbenstange 17 weiter ausgefahren werden, dann ist dieser Druck höher als der zuvor vorhandene.

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Dies hat zur Folge, daß der Kolben 19' des Steuerschiebers 18 in Fig. 2 nach rechts verschoben wird, so daß der in Fig. 2 untere Arbeitsraum des Stellzylinders 15 mit der Druckmittelquelle -und der obere Arbeitsraum mit dem Druckmittelreservoir in Verbindung gesetzt werden. Der Kolben 16 bewegt sich nach oben und fährt die Kolbenstange 17 aus. Dabei verstellt der Steuernocken 29 den Stempel 28 vom Ventil 19 nach links, so daß sich die Vorspannung der Feder 27 erhöht, somit auch die Belastung der Kugel 26 des Ventils 19. Der Druck, mit welchem der Kolben 19' des Steuerschiebers 18 in Fig. 2 nach links belastet wird, steigt dementsprechend an. Sobald die gewünschte Stellung der Kolbenstange I7 erreicht ist, ist dieser Druck gleich dem vom Ventil 1 vorgegebenen, nach rechts auf den Kolben 19' einwirkenden Druck. Der Kolben 19' des Schiebers 18 wird durch die Federn 20 wieder in die Mittelstellung gebracht, so daß die Beaufschlagung des Stellzyliüders 15 aufhört und die Kolbenstange I7 stillsteht=

Statt der mechanisch-hydraulischen Rückführung mittels des Druckregelventils 19 zwischen der als Stellglied wirkenden Kolbenstange I7 des Stellzylinders 15 und dem Steuerschieber 18 kann auch eine mechanische Rückführung zwischen diesem Stellglied des Stellmotors und dem Steuerkolben 19' des Steuerschiebers 18 vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform würde der Stempel 28 unmittelbar auf die in Fig. 2 rechte Druckfeder 20 des Steuerschiebers 18 einwirken.

Auch ist es möglich, zur mechanischen Rückführung zwischen der als Stellglied wirkenden Kolbenstange 17 und dem Ventilkörper bzw. der Kugel 7 des die erste Servoventil-

stufe bildenden Druckregelventils 1 eine Druckfeder? vorzusehen, welche den Ventilkörper bzw. die Kugel 7 entgegen den anderen Federn 10 entsprechend der jeweiligen Stellung der Stellgliedes bzw. der Kolbenstange 17 belastet.

Claims (6)

ft · · · « t 4 ■ - 13 - Schutzansprüche

1. Digitales Druckregelventil, insbesondere für elektrohydraulische Servosysteme, gekennzeichnet durch mehrere mit einem Ventilkörper (7) zusammenwirkende Federn (10) und mehrere Elektromagnete (11), welche jeweils einer Feder (10) zugeordnet sind und "bei Erregung die zugehörige Feder (10) auf den Ventilkörper (7) einwirken lassen oder umgekehrt die zuvor gegebene Einwirkung aufheben, so daß dieser mit einer dem jeweiligen elektrischen, den Elektromagneten (11) aufgegebenen digitalen, binär kodierten Eingangssignal entsprechenden Gesamtfederkraft beaufschlagbar ist.

c.. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (10) über einen zweiarmigen Hebel (9) mit dem Venlilkörper (7) zusammenwirken.

3. Druckregelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß identische Federn (10) in unterschiedlichem Abstand von der Hebelschwenkachse (8) angeordnet sind.

4-, Druckregelventix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Federn (10) mit unterschiedlichen Vorspannkräften mit demselben Abstand von der Hebelschwenkachse (8) vorgesehen sind.

5· Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper als eine mit einem Kegelsitz (6) zusammenwirkende Kugel (7) oder als Stößel ausgebildet ist.

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6. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper als eine mit einer Düse zusammenwirkende Prallplatte ausgebildet ist.