EP0049714B1 - Elektromagnetisch gesteuerter Servoantrieb mit Nachlaufsteuerung - Google Patents
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- EP0049714B1 EP0049714B1 EP80108176A EP80108176A EP0049714B1 EP 0049714 B1 EP0049714 B1 EP 0049714B1 EP 80108176 A EP80108176 A EP 80108176A EP 80108176 A EP80108176 A EP 80108176A EP 0049714 B1 EP0049714 B1 EP 0049714B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B9/00—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member
- F15B9/02—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type
- F15B9/03—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type with electrical control means
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- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
- F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
- F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
- F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
- F15B13/043—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves
- F15B13/0436—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure with electrically-controlled pilot valves the pilot valves being of the steerable jet type
Definitions
- the invention relates to an electromagnetically controlled servo drive with overrun control according to the type specified in the preamble of claim 1.
- a servo drive of this type in which the control piston designed as a control slide has an axially continuous pressure medium channel, which opens at one end in the high-pressure chamber of the housing and at the other end via radial bores of its piston shaft with a Drainage chamber of the housing is connected, while it is connected in the intermediate region via further radial bores to a control pressure chamber of the housing, the control pressure of which is controlled with the aid of the control element.
- the latter consists of a control sleeve which is axially displaceable in the discharge chamber on the shaft end and which controls the throttle cross section of the radial bores of the shaft with its control edge arranged at the sleeve end.
- the control sleeve has a fork shoulder with a relatively long axial holding rod, which is connected via a spring system to a fixed point outside the drain chamber.
- the magnetic device which consists of a regulator coil, surrounds the support rod and acts on the control sleeve via it.
- the known caster control with the control sleeve attached to the support rod leads to relatively large dimensions of the servo device and not least also due to the relatively large mass of the control sleeve together with fork and support rod to control inaccuracies, especially since the support rod must receive a sealing influencing its actuating movement if it is led out of the drain chamber to the external regulator coil.
- the sleeve-shaped control element forms the armature of the proportional magnet device, as a result of which a structurally simple and compact design of the servo device can be achieved, especially since the proportional magnet device surrounding the control element can also be incorporated into the housing in a space-saving manner.
- the control element as a whole is located within the control pressure chamber which carries the control pressure and is in a throttled connection with the associated housing connection. The control element is therefore pressure-balanced and low-friction. It is guided on the stem of the actuating piston. With these measures, high control accuracy can be achieved with a low inertia or a low hysteresis of the overrun control.
- control element does not have any support and anchor parts that extend out of the control pressure chamber, seals for such parts are also avoided.
- the actuating movements of the low-friction control element require relatively low actuating forces and therefore low electrical outputs.
- the magnetic adjustment of the control element is expediently carried out against a spring force. Precise travel paths can be achieved that are directly proportional to the strength of the magnetic field generated by an analog electrical signal.
- the shaft of the actuating piston has two axial pressure medium channels, one of which is connected to the high-pressure connection and the other to the low-pressure connection of the housing.
- This measure leads to a particularly simple configuration of the inner line connections with precise control of the openings of the two pressure medium channels by the control element, the control preferably being effected with the configuration of the control element and its control edges mentioned in claim 4.
- the control piston mentioned is expediently a differential piston which is acted upon by the high pressure on its smaller piston surface and by the control pressure in the control pressure chamber on its larger piston surface.
- the control element designed as an anchor and therefore consisting of ferromagnetic material expediently receives the coating mentioned in claim 6, for which a wear-resistant plastic material of known type with a self-lubricating effect is preferably used.
- the wall of the control pressure chamber can be used to guide the control element externally, but without exerting excessive transverse forces on the control element which could result in the control element sticking. This also results in a low-friction guidance of the control element.
- the outside diameter of the sleeve-shaped control element and the inside diameter of the magnetizable wall of the control pressure chamber are matched to one another in such a way that a certain magnetic air gap is present. It is achieved with the measure mentioned in claim 7 that even if the control element is adjusted slightly radially by magnetic forces acting in its transverse direction, there is a minimum air gap between the magnetic surfaces, as a result of which the disadvantageous effect of a zero air gap that leads to sticking of the control leads, is suppressed.
- the walls of the control pressure chamber can therefore be used to guide the control element without are exerted on the control element via these excessively large lateral forces.
- the stroke of the control element can advantageously be increased and the influence of the magnetic force acting in the transverse direction on the control element can also be reduced.
- the servo device according to the invention can be used for a variety of purposes. Preferred types of use are mentioned in claims 15 to 17.
- the invention provides a versatile servo device which can be reliably controlled by means of a low-power analog electrical signal and in which no moving part, possibly with the exception of the output shaft or the like, protrudes outwards from the housing.
- the device is characterized by its compact design and precise mode of operation with low-friction guidance of the control element.
- “High pressure” is understood in connection with the servo device according to the invention to mean any pressure medium pressure which is above atmospheric pressure and which, for. B. can range up to 210 bar and above. “Low pressure” means a pressure below high pressure up to atmospheric pressure, while “control pressure” means any pressure in the control pressure chamber that lies between high pressure and low pressure and which loads the actuating piston in order to perform the mechanical piston work.
- electromagnetically controlled servo drive with follow-up control serving as a servo or servo motor has a housing consisting essentially of two parts, namely a piston housing H and a control element housing M.
- a differential piston is arranged as an actuator, which consists of an actuating piston P pressurized with pressure medium and a high-pressure piston Q.
- the differential piston comprising the two pistons P and Q is guided displaceably in the housing H and has an output shaft O.
- Shaft E is connected to the piston P and forms a control channel element.
- a control element C is mounted in the housing M so as to be displaceable, at least partially sealed, with respect to the shaft E.
- the control element C is adjustable in the housing M with the aid of a magnet coil S, which generates a magnetic field, the setting in certain setting positions being dependent on the excitation state of the magnet coil S.
- the piston housing H consists of a block or cylinder made of metal with a cylindrical Housing space with the cylindrical inner wall 10 and an axially aligned chamber with the smaller diameter chamber which is delimited by the cylindrical inner wall 11. At the transition between the coaxial spaces, a shoulder 12 is formed which forms a stop on the left for the piston P.
- the high-pressure piston Q slides with its outer surface 13 in sealing contact with the wall 11 and divides the chamber into a low-pressure chamber 15 on its right side and a high-pressure chamber 16 on its left side.
- the shaft O passes through an opening of a screw sleeve 17 and is in the Opening sealed by a seal 14.
- the screw sleeve 17 is screwed into the left end of the pressure chamber 16 and sealed by means of an O-ring 18.
- the actuating piston P slides with its peripheral surface 21 in a sealing arrangement against the cylindrical wall 10 of the housing H.
- the low-pressure chamber 15 is connected to a return or sump or the like via an outlet opening 24, which is also provided with an internal thread 25 for a connection fitting.
- the actuating piston P which forms the hydraulic working part, has a plurality of pressure compensation grooves 26 on its peripheral surface 21.
- the right piston surface 27 of the actuating piston P forms a pressure surface which faces the control pressure chamber 22, while the left piston side 23 is acted upon by the pressure in the low pressure chamber 15.
- the piston surface 23 has one or more radial grooves 29.
- the high-pressure piston Q serves to pretension the actuating piston P in the direction of the control pressure chamber 22.
- it has one or more pressure compensation grooves 32 on its circumferential surface 13 and is provided with an annular piston surface 33 acted upon by the high pressure in the high-pressure chamber 16 and one with the low-pressure chamber 15 facing piston surface 34.
- the piston Q is either formed in one piece with the actuating piston P or attached to it. The same applies to the arrangement of the shaft O or on the piston Q.
- the outer end of the shaft O can interact with any adjustable, switchable or controllable object.
- the cross-sectional area of the piston Q minus the cross-sectional area of the rod O is approximately equal to half the cross-sectional area of the actuating piston P.
- the control element housing M consists essentially of a pair of axially spaced magnetically active parts 40 and 41 and a magnetically ineffective part 42 lying between them, the two ends of which lie in sealing contact with the adjacent ends of the parts 50 and 41.
- the sealing connection can be made in different ways, e.g. by means of O-rings or, as shown, by the parts 40, 41 and 42 being jointed and soldered to one another.
- the parts 40, 41 and 42 form a continuously cylindrical channel 45 with a cylindrical wall 46.
- the channel 45 forms an extension of the control pressure chamber 22 of the control element housing H.
- the part 40 is screwed into the actuating piston housing H at 48 and sealed by means of an O-ring seal 49.
- the left end face 46 of this part 40 forms a right-hand stop for the actuating piston P, the piston path SP of which is therefore equal to the distance between the stop surfaces 12 and 46 minus the axial length of the piston P.
- the part 40 has a flange 50 in the vicinity of its left end, which projects radially into the channel 45 and forms a stop 51 on the left for the control element C.
- the right end of the channel 45 is closed by a cup-shaped screw plug 60, which is screwed into the part 41 and sealed off from it by an O-ring seal 61.
- the screw plug 60 can consist of a magnetically active or a magnetically ineffective material.
- the housing M and the part of the housing H which lies on the right side of the piston surface 27 of the piston P form the control pressure chamber.
- the part 40 of the housing M has a radially outwardly projecting flange 52 and the part 41 has a magnetically active ring 53 as a counter flange at an axial distance from the flange 52.
- the magnet coil S lies between these radial flanges 52 and 53.
- a sleeve 55 made of magnetically active material surrounds the magnet coil S and connects the two radial flanges 52 and 53 with an overlap therewith.
- the housing M accordingly forms a closed magnetic loop around the magnetic coil S, with the exception of a magnetic air gap which is formed by the magnetically ineffective intermediate part 42.
- the shaft E consists of a rod made of magnetically inactive material; it extends axially to the right from the right side of the piston surface 27 of the actuating piston P and is provided with a cylindrical outer surface 65.
- the shaft E can be integrally connected to the piston P or manufactured as a separate part and, e.g. shown in Fig. 5, connected to the piston.
- the outer diameter of the shaft E is at least approximately 6.35 mm; it is smaller than the inner ring area of the flange 50, so that the pressure medium has a free flow here when the actuating piston P moves together with the shaft E in the housing.
- the high pressure chamber 16 is connected to the control pressure chamber 22.
- the connection is effected via an axial pressure medium channel 70, which extends from the right end of the shaft E through the actuating piston P and the piston Q and is connected to the high-pressure chamber 16 via a radial channel 71.
- the channel 70 can be drilled into the control channel element E from the right end 72. It is closed here by means of a plug 73.
- the control pressure chamber 22 is also connected to the low pressure side. In the exemplary embodiment shown, this takes place via a second axial pressure medium channel 75, which extends from the right end of the shaft E through the actuating piston P and is connected behind the adjusting piston via a radial channel 76 to the low-pressure chamber 15.
- This channel 75 is also drilled from the right side into the control channel element E and is closed here by means of a plug 78.
- the shaft E has on its cylindrical outer surface a pair of circumferential grooves 80 and 81 arranged at an axial distance from one another (FIG. 3), which are separated by a web 82, the axial length of which is approximately equal to the stroke s of the actuating piston P.
- the groove 80 is connected to the high-pressure duct 70 via a radial duct 84, while the groove 81 is connected to the low-pressure duct 75 via a radial duct 86.
- the flanks 80 ', 80 "of the groove 80 cut the outer surface 65 of the shaft E at a sharp angle of preferably 90 °, as a result of which a sharp angle 87 is formed as the control edge.
- the groove 81 likewise has radial flanks 81' and 81", which form sharp angles 88 with the outer surface 65.
- the control pressure chamber 22 is accordingly connected to the high-pressure side and the low-pressure side via the grooves 80, 81 arranged on the outer surface 65 of the shaft E and arranged essentially identically, and via the aforementioned axial pressure medium channels 70 and 75.
- the actuating piston P and the shaft E are movable in the direction of the piston axis.
- the grooves 80 and 81 form inlet and outlet openings to and from the control pressure chamber 22. They point in a direction perpendicular to the direction of movement of the control element C.
- the control element C which is guided through the inner wall 46 of the housing part M, has the task of throttling the outflow of the pressure medium from the groove 80 forming the inlet opening and opening the flow of the pressure medium into the groove 81 forming the outlet opening and vice versa.
- the control element C consists of a sleeve, the cylindrical inner wall of which has a diameter such that there is a narrow gap or play f to the outer surface 65 of the shaft E.
- a control groove 90 is arranged essentially in the middle of the sleeve, which is connected to the outside of the sleeve via a pair of diametrically opposed radial channels 91.
- the radial channels 91 open into longitudinal grooves 93 on the outside of the sleeve, which lead to the sleeve ends.
- the control groove 90 preferably has an axial dimension, i. H. a width that is at least equal to the total stroke of the adjusting piston P.
- the groove width should be at least about 19 mm.
- the flank 90 'of the control groove 90 is located at a distance from the left end of the control element C which corresponds at least to the maximum adjustment path of the control element C to the right and at least the maximum stroke of the piston P.
- the two flanks 90 'and 90 "of the control groove 90 are at a distance which is slightly, for example 0.05 to 0.1 mm, smaller than the width of the web 82.
- the flanks 90' and 90" intersect the inner surface of the control element C rectangular, d. H. with formation of sharp control edges 94 and 96, which face the control edges 87 and 88 and form with these throttles 97 and 98, the throttle cross section of which changes with the actuating movement of the control element C relative to the shaft E.
- the control element C is a coil spring 95 with a small spring force of z. B. 0.9 kg to the left, which is supported with one end against the bottom surface of the screw plug 60 and with its other end against the right end of the control element C.
- the left end of the sleeve-shaped control element C is supported against a ring 99 made of magnetically inactive material, which in turn is supported on the right end face 51 of the flange 50.
- the ring 99 forms a magnetic air gap between the flange 50 and the control element C.
- One or more radial grooves 99 'in the surface lying against the flange establish a connection between the pressure chambers 45 and 22.
- the grooves 80 and 81 are spaced from the actuating piston P such that the web 82 is aligned with the control groove 90 when the control element C is in its left-hand neutral position shown.
- the pressure in the groove 90 and in the control pressure chamber 22 is approximately in the middle between the high pressure and the low pressure.
- the pistons P and Q are pressure balanced.
- the right end 100 of the sleeve-shaped control element is designed such that it tapers conically toward the sleeve end.
- the control element C has a clearance cx of 0.013 mm between its outer surface 103 and the inner surface 46 of the chamber 45, so that the control element can move radially in the control pressure chamber without any significant friction.
- the control element C consists of a magnetically active part with an outer diameter d and an outer coating 105 made of a magnetically inactive material with a thickness t which corresponds to at least twice the clearance cx, approximately 0.026 mm.
- the coating 105 can consist of any suitable, non-magnetic or magnetically ineffective material, such as copper, brass, stainless steel or the like.
- a plastic material, in particular “ Teflon” (trademark of the Du-Pont Corporation) or an equivalent plastic material with low friction properties is preferably used for this.
- the radial magnetic forces on the control element C designed as an armature act slightly eccentrically, so that the control element is adjusted radially by approximately its range of motion so that its outer surface lies against the wall 46 in a point or line shape. It is known that when two magnetically active surfaces are separated by a Ma magnetic field are drawn against each other, the magnetic forces increase to a maximum value after the asymptotic curve approaches the magnetic air gap towards zero. The ratio of the maximum air gap between the magnetically active surfaces to the lowest possible air gap is set so that it never exceeds the value 2: 1 by using the magnetically ineffective covering or coating 105 in the stated thickness.
- the radial forces acting between the outer surface of the control element C and the inner surfaces of the magnetically active parts 40 and 41 are limited in this way.
- the play f between the inner surface of the control element C and the outer surface 65 of the shaft E is preferably at least equal to the play cx in order to prevent the radial forces mentioned from pulling the control element C against the element E in frictional contact.
- the control element C is pressed against the spacer ring 99 and the stop 50 by the prestressing force of the spring 95.
- the grooves 80 and 81 are normally throttled by the same amount with respect to the control groove 90.
- the width or axial dimension of the. Groove 90 is preferably at least equal to the stroke of the piston P and the stroke of the control element C, so that the control groove 90 is always in connection with the groove 81, even when the control element C is in its extreme right position and the piston P in its extreme left position.
- channels 70 and 75 drilled into the rod-shaped shaft E can also be formed by concentrically nested tubes, the inner tube connecting the high pressure side and the annular space between the tubes connecting the low pressure side.
- the magnetic coil S of the proportional magnetic device preferably has a plurality of layers of copper wires which are encapsulated in an insulating medium. Their output wires 110x and 111x are led out through insulation in the sheath 55.
- Different types of electrical current sources can be used for the electrical power supply of the magnetic coil S, which supply the current required with regard to the number of coil turns. In some cases, it is appropriate to use an AC power source or a combination of an AC power source and a DC power source.
- the slight vibration of the resulting flow has a slight vibration effect on the control element C, which helps to suppress sticking or sticking of the control element and also to eliminate the hysteresis caused by the fixing of the control element.
- FIG. 4 schematically shows a current source 115x, which is an AC power source, a DC power source superimposed by an AC power source, or a DC power source, together with a potentiometer 116X, the outer connection 117X of which is connected to the one output of the current source via a lead wire 118X.
- the other terminal 119X of the potentiometer is led via a lead wire 120X and a variable resistor 121X and a lead wire 111X to the other output of the current source.
- the magnet coil S is connected to the potentiometer arm 126X via a lead wire 110X, while the other connection 127X of the magnet coil is connected to the lead wire 111X.
- the current flowing through the magnet coil S is changed from a minimum value determined by the resistor 121X to a maximum value determined by the resistance of the magnet coil S and the voltage of the current source.
- the current source could also consist of a computer or any other source with which an analog electrical signal can be applied to the magnetic coil S.
- the current flowing through the magnetic coil S generates a magnetic flux via the magnetically active part 40 to the likewise magnetically active control element C, which bridges the air gap formed by the part 105, to the magnetically active part 41.
- the control element C is pulled to the right against the restoring force of the spring 95, whereby the magnetic air gap is closed.
- variable resistor 121X maintains a slight bias current in the solenoid S when the potentiometer arm 126X is in the minimum excitation position shown, i.e. is in contact with the external connection 119X, so that the control element C is pulled to the right with a force which is slightly less than the lowest possible biasing force of the spring 95.
- the flow cross-section at the transition from the groove 80 to the control groove 90 is increased or decreased in relation to the actuating path, while the connection of the grooves 90 and 81 is changed in its cross section in the reverse sense.
- the interaction of the groove is comparable to a pair of variable valves or throttles which are connected in series between high pressure and low pressure, the control groove 90 forming an intermediate channel between the grooves and being under an intermediate or control pressure.
- the flow through a throttle is directly proportional to the throttle cross-section and the square root of the pressure drop across the throttle. Since the flow through two series-connected throttles is exactly the same, the pressure in the intermediate connection, i.e.
- the pressure in the groove 90 is transmitted to the control chamber 22 via the groove 99 '. It acts here in the sense of a displacement of the actuating piston P to the left with a force that is the pressurized area of the actuating piston P multiplied by the pressure height.
- the high pressure acts on the piston surface 33 of the high-pressure piston Q and thus on the actuating piston in the opposite direction. Since the piston surface 33 ⁇ m e.g. Is 50% smaller than the pressurized area of the control piston P, the high pressure exerts a force that tries to move the piston P to the right. If these forces plus or minus any external forces on the output shaft O are not balanced, the pistons move in the direction of the higher force until the state of equilibrium is established.
- each piston movement leads to a change in the connection of the two aforementioned throttles until the pressure in the control pressure chamber 22 exerts a leftward force on the piston surface 27 of the actuating piston which is exactly the same as the force , which the high pressure causes on the piston Q, plus or minus any forces acting on the shaft O from the outside.
- Fig. 1 shows the servo drive at maximum pressure of the pressure medium and with almost zero excitation current.
- the groove 80 is under high pressure and the groove 81 is under low pressure.
- the two grooves 80 and 81 are throttled by the same amount with respect to the control groove 90.
- the pressure drop from groove 80 to groove 90 and from the latter to groove 81 is therefore the same.
- the pressure in the groove 90 and in the control pressure chamber 22 is therefore exactly in the middle between the high pressure and the low pressure. Since the size of the piston surface 27, which includes the cross-sectional area of the control channel element E, is twice as large as the size of the piston surface 33, the pressure forces are balanced.
- the pistons P, Q and the stem E are therefore in their extreme left position.
- control element C moves into the left neutral position under the restoring force of the spring 95, the pistons P and Q automatically adjusting to the left position shown in FIG. 1.
- Fig. 5 shows a double-acting servo drive, the structure of which largely corresponds to that of FIGS. 1 to 3.
- Matching parts are given the same reference numerals, while functionally matching but structurally modified parts have the reference numerals of the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3 provided with an index line.
- the shaft E ' is connected to the actuating piston P' in a radially movable manner in order to compensate for any misalignment of the two housing parts connected to one another.
- the left end 108 of the shaft E ' engages with play in a bore 107 at the right end of the actuating piston P' and is sealed in this bore by means of a soft-flexible pressure seal 110.
- the shaft E ' has an axial distance from its end 108 a flange 121 which also carries a soft-flexible pressure seal 111, which is in sealing contact with the inner wall of a counterbore.
- the left end 108 between these seals 110 and 111 has a circumferential groove 113 which is connected via a radial channel 114 to the left end of the channel 75 '.
- This groove 113 is connected via a channel 116, which is guided diagonally through the piston P ′, to the piston side 123 and thus to the part 115 of the low-pressure chamber 15.
- the left end 108 of the shaft E ' is secured in the bore 107 by means of a retaining ring 120 which is supported against a shoulder surface of the flange 121 and which in turn is held by a snap ring 124 which is seated in a groove in the piston bore.
- the flange 121 has an area which is twice as large as the end face 108. It is therefore pressure-balanced relative to the piston P '.
- magnet coils S and S ' also has a pair of axially spaced magnet coils S and S 'and a pair of magnetically inactive parts 42, 42' inside the magnet coils, between which there is a magnetically active part 43, which has a radial flange 43 'or the like is provided, which lies between the two mutually facing ends of the magnet coils S and S'.
- Both magnet coils S and S 'therefore each have a magnetic circuit which is closed by the control element C' on the magnetic air gap formed by the parts 42, 42 '.
- control element C ' corresponds to the control element C of FIG. 1 with the exception that its left end 100' is also conically tapered here.
- the magnetically active housing parts which lie on the side of the parts 42 and 42 'opposite the housing part 43, are counter-drilled with a diameter which is approximately 0.25 mm larger, in order to form shoulders on the left and right, the spacing of which is preferably approximately 0.25 mm is greater than the axial length of the control element C '.
- a slotted snap ring 128 is seated in a groove on the surface of this counterbore and forms a stainless steel support ring 129 for a spring 95 '.
- the snap ring 128 is arranged such that, taking into account the thickness of the support ring 129, the distance of the left surface 130 of the support ring from the shoulder is the same as the distance of the bottom surface of the pot-shaped screw plug 60 from the right shoulder.
- each of the two counterbores there is a support ring 132 or 133 which is movable in the counterbore in question and can be supported against the associated shoulder.
- the coil springs 95 and 95 'arranged on both sides of the control element C' press the support rings 132, 133 against the shoulders mentioned.
- the springs are preferably of the same design; they are under a low initial prestress of z. B. about 0.95 kg.
- control element C ' is adjusted by excitation of a solenoid coil, there is a small dead center in the movement of the control element before the excitation of the solenoid coil reaches a value at which this initial compressive force is overcome and the control element C' is adjusted.
- FIG. 5A shows schematically in a circuit diagram a current source for supplying power to the two magnetic coils S and S '.
- a potentiometer with a resistance element 142 is connected with its external connections via lines 141, 143 to the terminals of a battery 146 and to the two magnetic coils S, S '.
- the potentiometer arm 144 forming the tap is connected to the other two connections of the solenoid coils S, S 'via a line 145.
- the potentiometer arm 144 is set by springs (not shown) in a central position in which both magnet coils S, S 'are acted upon in the same way but with a minimum excitation current and with opposite magnetic polarity, so that they are the same on the control element C' but in opposite directions Apply directional forces that hold the control in its center or neutral position.
- the mode of operation of the magnetic coils S, S 'in cooperation with the control element C' corresponds essentially to the exemplary embodiment according to FIG. 1. If the magnetic coil S is excited more than the magnetic coil S ', the control element C' and with it the shaft E are adjusted 'and the control piston P' to the left. In the event of a power failure, the control element C 'comes into effect the spring 95, 95 'back to its neutral position shown. Since the springs 95, 95 'are under an initial pretension, the potentiometer arm 144 must be adjusted in one direction or the other over a small arc path before the magnetic force acting on the control element C' exceeds the initial pretension and triggers the actuating movement of the control element. In this way, a low zero or dead center is created in the control.
- a single-acting or a double-acting, electrically controllable and pressure-medium operated servo drive with overrun control is accordingly created, in which the only element which is led out of the pressure chamber is the shaft O.
- the position of this actuator can be easily controlled using an analog electrical current in the proportional solenoid device.
- the magnetic coils generate a magnetic force flow, under the effect of which the control element, which is located completely in the housing, is adjusted in relation to inlet and outlet channels which connect a control pressure chamber to the high-pressure side and the low-pressure side.
- the differential piston is controlled under the action of the differential pressures acting on it in such a way that it exactly follows the actuating movement of the control element.
- the piston is then held exactly in its position regardless of any changes in the external forces acting on the output shaft.
- FIG. 6 shows the electro-hydraulic servo drive according to FIG. 5 in connection with a remote-controlled slide valve.
- the latter comprises a combined valve and piston housing A, a housing B forming the control pressure chamber, an actuating piston N which actuates the slide D of the valve, a high pressure piston L, a stem K, a control element F and a pair of solenoid coils S, S ' which the control element F is adjusted either to the right or to the left and can thus be moved to the right or to the left via the actuating piston N of the slide D.
- the housing A has an elongated cylinder space 610 with the cylindrical inner wall 611, on which the actuating piston N is guided, and a plurality of housing chambers provided with inlets and separated by sealing webs, from right to left: a low-pressure chamber 613, a narrow housing web 614, an outlet inlet chamber 615, a wide housing land 616, an inlet pressure chamber 617, a wide housing land 618, an inlet and outlet chamber 619, a narrow housing land 620 and a low pressure chamber 621.
- the chambers all have the same axial width, while the wide housing lands have twice the width as the narrow housing bars.
- a cylinder chamber 625 Connected to the low-pressure chamber 621 is a cylinder chamber 625, the diameter of which is smaller than the diameter of the various housing webs and the chamber 610.
- the left end of the chamber 615 is closed by a plug screw 628 with the engagement of an O-ring seal 629.
- An inner channel 633 connects the low pressure chambers 621 and 613.
- the chamber 613 has an inlet opening 634 with an internal thread for the connection of a line fitting. Via the opening 634, the chamber 613 is normally connected to the low-pressure side or the return or a sump or the like.
- the chamber 615 has a housing opening 640 with an internal thread for a connection fitting, via which the connection to a pressure medium device to be actuated is established.
- the inlet chamber 617 is provided with an inlet opening 642 with an internal thread for a connection fitting and is connected to a pressure source which supplies a high-pressure medium with a constant volume.
- the chamber 619 has a connection 644 with an internal thread for a connection fitting and is connected via this connection to the other connection of the pressure-operated device.
- the slide D has a pair of cylindrical slide pistons 650 and 651, the axial spacing of which is equal to the distance between the two inlet-outlet pressure chambers and a length corresponding to the width of the chambers plus the width of a wide housing web.
- the slide piston 650 is either in contact with the housing web 614 or with the housing web 616, while the slide piston 651 is in contact either with the housing web 618 or with the housing web 620.
- the pistons 650 and 651 each have a pair of tapered, throttled channels 654, 655 at each end that deepen toward the piston end to maintain a constant inlet pressure and a limited fluid flow of e.g. B. 113 i / min through the valve.
- the inlet pressure changes within wide limits as the load on the controlled device changes.
- the grooves 654 and 655 are shown in FIG. 6 on the piston 650 in cross section and on the piston 651 in plan view.
- the high-pressure piston L is connected in one piece to the left end of the slide D and slides in a sealing arrangement on the wall of the chamber 625. It forms a high-pressure chamber 661 in this chamber, which is closed on the left by the screw plug 628.
- the slide has a tapered shaft 662 which forms a pressure medium channel which connects the chamber 619 to the low pressure side when the slide D is shifted to the right.
- the slide D is provided with a slide part 665 which is tapered in diameter and which forms a channel 666 which is connected to the housing space 610 and via which the chambers 615 and 616 are connected when the slide D moves to the left.
- the slide has a shaft portion 657 connecting the pistons 650 and 651 and tapering in diameter with a diametrical transverse channel 656, via which the inlet pressure in the chamber 617 is connected to an axial channel 658 which extends longitudinally through the slide D and a connection on the one hand to the high pressure chamber 661 and on the other hand to the right side of the slide D.
- the piston N is preferably connected in one piece to the slide D; it has a plurality of circumferential pressure compensation grooves 670 arranged at an axial distance and an axially extending groove 671 which intersects these and extends from the left piston surface 672 to the right piston surface 673.
- the intersecting grooves 671, 670 form a plurality of right-angled throttle points and, in cooperation, form a throttle channel which extends from the control pressure chamber to the low-pressure chamber, as will be described in more detail in connection with the exemplary embodiments according to FIGS. 7 and 8.
- the shaft K is connected to the piston N in the manner described in connection with FIG. Since the control pressure chamber is connected to the low-pressure side here via the throttle 671, only a single high-pressure connecting channel 675 needs to be provided in the shaft K here.
- This channel 675 extends axially through the shaft K up to a plug 676 at the right end thereof.
- a groove 678 on the outer surface 679 of the shaft K is connected to the axial pressure medium channel 675 via radially drilled openings 680.
- the groove 678 has radially standing flanks 678 'and 678 ".
- the control element F essentially corresponds to the control element C 'of FIG. 5. It has a circumferential groove 681 on its inner surface, which is connected via transverse channels 683 to a longitudinal groove 682 on the outside of the control element, so that the high-pressure medium in the inlet chamber 617 is connected to the control pressure chamber via the openings 656, the axial channel 658, the axial channel 675, the radial channels 680, the groove 678, the groove 681, the radial channel 683 and the groove 682.
- the groove 678 is arranged here in such a way that its right groove flank 678 "and the left flank of the groove 681 overlap slightly when the control element F is in its illustrated central position, in which the magnet coils S and S 'are not energized the overlap of these grooves depends on the throttling in the groove 671 leading to the outlet and the gap f (FIG. 3).
- the piston N moves the grooves relative to one another so that the flow through these grooves is equal to the flow through the groove 671 .
- the high pressure acting via the channel 658 in the high pressure chamber 661 acts on the right piston surface 660 of the high pressure piston L.
- the variable pressures in the control pressure chamber act on the left piston surface of the piston N.
- the piston N moves the groove 678 relative to the groove 681 in the sense opening or closing the connection of the channel 675 with respect to the connection leading to the low-pressure side until the pressure forces on the piston N and on the piston L of the valve slide D are in equilibrium.
- control element F returns to the neutral central position according to FIG. 6, as a result of which the slide D automatically returns to its neutral central position.
- the springs 95 and 95 ' are designed such that their free, unloaded length is greater than the installation length within the control device.
- the springs therefore exert an initial prestressing force on the two ends of the control element F via their support rings.
- the potentiometer arm according to FIG. 5A must therefore be adjusted over a small actuation path in order to excite one of the two solenoid coils more than the other before the actuating movement of the control element starts.
- the operator therefore has a slight dead travel in the manual control before the slide D is switched via the control element F to control an engine or piston.
- the valve described above is a two-way valve which can be remotely controlled by means of an analog electrical current and which permits very precise adjustment of the slide and accordingly precise control of the device which is controlled by the slide valve.
- FIG. 7 shows the device according to the invention in connection with a pressure relief or pressure relief valve of the differential piston type.
- This valve consists essentially of a valve housing T, a control housing U forming the control pressure chamber, a valve piston V, a control piston W, a shaft X, a magnetically actuated control element Y in the form of a sleeve and a solenoid S which can be connected to an adjustable current source to bring the control element into the different setting positions within the housing U depending on the excitation current.
- the housing T is formed from a block of steel, aluminum or another high-strength material and has an elongated cylinder space 710 in which the actuating piston W slides, in which the valve piston V is in turn displaceably mounted.
- the housing U corresponds to the housing part M of FIG. 1. It has a housing chamber 717 which is arranged coaxially with and in connection with the housing space 710 and has a cylindrical inner wall 716.
- the left side of the magnetically active part 740 forms a surface 716, which serves as a right stop for the piston W.
- the left end of the housing space 710 is counter-drilled at 720, the shoulder 721 forming a left stop for the reciprocating piston W.
- the axial length of the piston W is smaller by the distance d than the distance between the two abovementioned stops.
- an inlet opening 724 is provided in the axis of the housing space 710, in which sits a valve seat member 725, which has a cylindrical extension 726 lying in the inlet opening and sealed by an O-ring seal.
- the opening 724 forming the high-pressure connection is provided with an internal thread for a suitable connection fitting.
- the right end of the valve seat member 725 has a conical valve seat surface 731, which encloses an inlet opening 732 of the cylindrical extension 726 and against which a valve seat contact surface 734 lies at the left end of the valve piston V when the valve is closed.
- the valve seat contact surface 734 lies tangentially against the conical valve seat surface 731 on a circle 735, the diameter a of which is determined by the radius of curvature of the surface 734 and the cone angle of the surface 731.
- the dimensional ratios are selected so that the diameter a is at least larger than the diameter of the opposite end of the valve piston V, which is acted upon by high pressure, and the diameter of the part 726 of the valve seat member 725.
- the circle 735 encloses a surface against which the in pressure medium standing in the inlet opening exerts a rightward force which is equal to the pressure of the pressure medium multiplied by the size of this left surface.
- a housing outlet 740 is arranged on the housing with an internal thread for a connection fitting, which is connected to the chamber formed by the counterbore 720.
- the pressure at this housing opening 740 is zero.
- the actuating piston W has an outer diameter such that it slides in the sealing system with the cylindrical inner wall of the housing space 710. It is provided with a plurality of essentially rectangular, circumferential pressure compensation grooves 750, as is known per se. In addition, an axially extending rectangular groove 752 is provided on the outer surface of the piston, which intersects the circumferential grooves 750 and establishes a connection between the chamber 717 on the right side and the chamber 710 on the left side, which in turn connects to the housing outlet 740 is.
- the interfaces of the groove 750 and 752 create a throttle channel in the connection between the chamber 717 and the housing outlet 740 by means of a plurality of sharp-edged throttle points, so that the pressure drop of the pressure medium flowing through the throttle channel, largely independent of its viscosity, is proportional to the square root of the pressure difference between the pressure in the control pressure chamber 717 and the low pressure side formed by the housing outlet 740.
- the dimensions of the groove 752 are preferably chosen so that the leakage current is approximately in the order of 4 to 16.5 cm 3 / min. at maximum pressure at the valve.
- the circumferential grooves 750 have approximately dimensions of 0.5 mm width and 0.5 mm depth.
- the groove 752 carrying the leakage current has dimensions of approximately 0.75 mm width and 0.5 mm depth. It goes without saying that these dimensional relationships can fluctuate in order to achieve the desired flow rates and the desired pressure compensation.
- the piston W is provided with an inner cylindrical piston chamber 765, in which the right end 766 of the valve piston V is slidably guided and sealed by means of an O-ring seal 767.
- a radial flange 769 Near the left end of the valve piston V is a radial flange 769 which is in sliding contact with the cylindrical inner wall of the counterbore 720 of the housing space 710 and which is provided with axial grooves 771 for the passage of the pressure medium.
- the left end of the piston W is counterbored to form a shoulder 772 and a piston chamber 773 for receiving a valve spring 774.
- the spring 774 is supported on the one hand against the shoulder 772 and on the other hand against the flange 769.
- Spring 774 is the main pressure control member; it loads the valve piston V in the closing direction of the valve member and the piston W in the opposite direction.
- the valve piston V is provided with an axial channel 779, which connects the high pressure in the inlet opening 724 to the piston chamber 765 located on the right side of the valve piston V.
- the high pressure medium in the piston chamber 765 acts against the left side of the O-ring 767 via the gap between the piston part 766 and the inner wall of the piston chamber 765.
- the pressure medium therefore tends to move the O-ring 767 in a leftward direction on the valve seat 731.
- the cross-sectional area of the piston shaft 766 is smaller than the cross-sectional area of that of the circle 735 enclosed area, the area difference being designed such that the pressures in the inlet opening 724 tend to push the piston V to the right.
- the pressure spring 744 counteracts these pressures, and its spring tension can be variably adjusted by means of the adjusting piston W, which has a larger diameter.
- the shaft X projects coaxially from the piston W into the control pressure chamber 717.
- the actuating piston W which serves here as the control piston, and the shaft X are provided with a continuous axial channel 780, which is connected to the piston chamber 765 at the left end and with a transverse channel 782 ( 7A) is connected.
- the channel 782 opens into a cylindrical groove 783 on the outer surface 784 of the shaft X.
- the channels 782, 780 and 779 form an unthrottled connection between the interior 717 of the housing U and the pressurized housing inlet.
- the pressure in chamber 717 exerts a force on piston W to the left that is equal to the piston area of piston W minus the cross-sectional area of piston chamber 765.
- the control element Y essentially corresponds to that according to FIG. 1. It has an elongated, circumferential groove 790 on its inner surface, which is connected via a transverse channel 792 to a longitudinal groove 791 on the outer surface. As shown in FIG. 7A, the left flank 793 of the control groove 790 is at a distance from the left end of the control element Y, which corresponds at least to the greatest possible movement distance of the control element to the right, so that it overlaps the groove 783 when it is not under pressure Piston W is in the right end position shown, the degree of overlap of the groove 783 with, for example 0.12 mm is relatively small if the piston W has carried out its full piston travel to the left under the effect of the pressure in the pressure chamber 717.
- While most of the devices described here have an area ratio of the control piston area to the high-pressure piston area (differential area ratio) of about 2: 1, spring-loaded valves, such as pressure relief valves, pressure reducing valves, sequence valves and the like. Like., A spring force set before actuation.
- the net control pressure area is 7.5 times larger than the net area of the control piston which is exposed to the system pressure.
- the control element Y is constantly pressed to the left by the spring 795. There is therefore normally a partially throttled pressure medium flow into chamber 717 and a fully throttled pressure medium pressure from chamber 717.
- the high pressure acting on the inlet opening 724 generates a force directed to the right against the surface defined by the circumference 735 of the valve closing member.
- the high pressure is transmitted via the channel 779 into the piston chamber 765, where it acts against the end 796 of the valve piston V. Since the area 796 is smaller than the area enclosed by the circle 735, these forces attempt to move the valve piston V to the right.
- the spring 774 presses the valve piston V in the closing direction with a force which is dependent on its spring characteristic and the degree of its preload.
- the inlet pressure is also transmitted to control pressure chamber 717 via channels 779, 780, 782, grooves 783, 790, channel 792 and groove 791. This pressure then decreases via the throttle groove 752 and the groove 771 to the outlet 740.
- the pressure in the control pressure chamber 717 increases.
- the actuating piston W which is acted upon by the pressure in the control pressure chamber on the right-hand side of the piston, moves to the left and compresses the spring 774, whereby the closing force of the valve, i. the inlet pressure at which the valve piston V rises from the valve seat increases.
- the shoulder 721 limits the actuating movement of the piston W to the left and thus determines the amount by which the spring 774 can be compressed by the actuating piston.
- the maximum response pressure of the valve is determined in this way.
- the solenoid S When the solenoid S is excited, the magnetic flux moves the control element Y to the right against the force of the spring 795.
- the control element Y assumes different positions.
- the control element Y moves to the right, it throttles the outflow of the pressure medium from the groove 783, so that the amount of the pressure medium flowing into the control pressure chamber 717 becomes smaller than the amount of the pressure medium flowing out of the control pressure chamber 717 via the channels 752, 771.
- the actuating piston W therefore moves to the right under the force of the spring 774. This reduces the tension of the spring 774 and thus the pressure at which the valve piston V lifts off the valve seat under the differential pressure.
- the response pressure at which the valve opens can therefore be controlled via an analog electrical signal which is transmitted via an electrical line connection from any remote location.
- the tension of the spring 774 is adjusted within the given limits, as a result of which the response pressure can be set between a maximum operating value and a lower value depending on the spring constant of the spring 774 and the maximum stroke of the piston W.
- the pressure at the O-ring 767 also always acts in the direction of the valve seat in the valve according to the invention. This very high pressure tends to press parts of the O-ring into the gap between the surfaces to be sealed. The closing movement of the valve piston V therefore tends to lead the O-ring 767 out of the gap again, as a result of which the valve piston can return to the closed position with reduced friction.
- the tendency of the valve to release pressure medium even at pressures immediately below the response pressure is therefore suppressed and at the same time it is achieved that the valve closes under a smaller pressure difference after the response.
- the throttle groove 772 which cuts the circumferential groove 750 to form rectangular throttle edges, is particularly advantageous for realizing the throttle connection of the control pressure chamber with the outlet. Instead, other throttle channels can also be provided for this connection.
- the throttle connection 752, 750 there is the particular advantage that the flow rate is directly proportional to the square root of the pressure and at the same time largely independent of the viscosity of the pressure medium.
- the spring 795 shifts the control element Y to the left, with the result that the actuating piston W also shifts to the left, thereby compressing the spring 774.
- the piston W lies against the stop formed by the shoulder 721, so that the valve is set to the greatest possible response pressure in the event of a power failure. A reduction in the response pressure of the valve in the event of a power failure would in many cases lead to considerable operational hazards.
- the domed valve seat abutment surface 734 in conjunction with the conical valve seat surface improves the flow characteristic of the valve.
- This shape of the surfaces means that the influence of the eddy currents is completely suppressed when the valve is opened, so that the pressure-quantity curve is considerably flatter.
- This advantage is explained by the fact that when the valve is opened, the vortices form on the one hand with a smaller diameter than the diameter of the circle 735 (valve seat diameter) and on the other hand with a larger diameter than this.
- the vortex formation inside the actual valve seat takes place in an area of the piston which is under a lower pressure than the inlet pressure. If this eddy formation were not counteracted, the pressure-quantity characteristic of the valve would increase.
- there are surfaces here that have a larger diameter than the actual valve seat and on which dynamic vortex formation occurs without a static sealing effect the result is a flat pressure-quantity curve overall.
- the valve which is designed in the manner of a differential piston valve, essentially comprises a piston and valve housing T1, a control housing G forming the control pressure chamber, an actuating or valve piston I, a stem J as a control channel element, a magnetically adjustable control element K, and a solenoid S, by their excitation the control element K can be set in different positions in the housing T1.
- the housing T1 consists of a block made of steel, aluminum or another high-strength material which has a cylinder space 810 in which the piston I slides.
- the cylinder space 810 is counter-drilled at the right end and provided with an internal thread into which the threaded end 811 of the control housing G is screwed.
- the cylinder space 810 has a counterbore 812, which forms an outlet pressure chamber, and an adjoining counterbore 813, which forms a valve inlet channel or the high-pressure connection and is provided with a thread 814 for a connection fitting.
- valve seat member 814 Arranged in the counterbore 813 is a valve seat member 814 which is sealed by an O-ring 815 and which has a bearing flange 816 which surrounds the smaller counterbore 812.
- the valve seat member 814 is fixed by a snap ring 817 which is inserted into a groove on the inner wall of the counterbore 813.
- the valve seat member 814 has essentially the shape of a piece of pot open to the right side, the outer edge of which forms a circular valve seat 820.
- Several channels 821 connect the interior of the pot piece with the inlet side.
- the valve seat member 814 is made of a magnetically active material so that it can catch any magnetic dirt particles in the pressure medium.
- the counterbore 812 Immediately to the right of the valve seat member 814, the counterbore 812 has an outlet channel 830 with an internal thread for a connection fitting. Typically, the chamber formed by the counterbore 812 is at a low pressure, the pressure level of which is determined by the valve.
- the control housing G corresponds to the housing M of FIG. 1. Its left end face forms a right-hand stop for the piston I.
- the piston I consists of a cylindrical piston body sealingly sliding in the housing space 810, which in a known manner has a larger number of axially spaced circumferential pressure compensation grooves 841 are provided.
- a closing member 844 At the left end of the piston there is a closing member 844 with a valve seat contact surface 845, which tapers progressively tapering to the left, so that a concave conical surface results.
- the valve seat contact surface 845 When the valve seat contact surface 845 is moved to the right, the valve opening cross section therefore changes with respect to the linear stroke of the valve seat member after a falling, non-linear relationship.
- the shape of the valve seat contact surface 845 can be made for a specific pressure-operated device in such a way that leakage fluctuations of these devices are compensated for, in particular at low speed and with a temperature-related reduction in the viscosity of the pressure
- the diameter of the valve seat 820 is smaller than the piston diameter.
- the pressure medium acting on the piston I from the left exerts a force on the piston which is equal to the cross-sectional area of the valve seat 820 multiplied by the pressure.
- the stem J consists of a cylindrical rod which extends from the right-hand piston side 851 to the right and which has a circumferential groove 855 on its cylindrical outer surface 853 which is arranged on the stem J at an axial distance from the piston surface 851.
- the control element K essentially corresponds to the control element C according to FIG. 1.
- the groove 855 and a groove 890 on the inner wall of the control element K are arranged in the axial direction relative to one another in such a way that the grooves are a small amount of e.g. Overlap 0.13 mm when the control element K is in the extreme left position shown and the valve seat contact surface 845 is in contact with the valve seat 820.
- the piston I and the stem J have a continuous axial pressure medium channel 880 which is connected on the left side to the inlet 813 and on the right side to a transverse channel 882 which opens into the groove 855.
- the channels 880, 882 and the grooves 855, 890 as well as other aforementioned channels connect the high pressure side at the inlet 813 to the control pressure chamber.
- the high pressure acts on the right end surface of the stem J and on the annular piston surface 851.
- the total surface of these two piston surfaces is larger than the surface of the valve seat 820. As a result, the piston I is pressed against the pressure on its surface 844 in the closed position.
- the piston part 840 of the piston I forms a throttled connecting channel between the control pressure chamber and the outlet or the low-pressure chamber 812.
- this throttle connection is formed by a longitudinal groove 850 on the surface of the piston I, which cuts the grooves 841 to form rectangular control edges and connects the right piston side with the left piston side and the chamber 812 located here.
- the pressure medium flow and thus also the pressure drop change with the viscosity of the pressure medium flowing through the valve opening.
- some hydraulic pressure media such as oil in particular, the viscosity can change within relatively wide limits depending on the temperature.
- such changes in the viscosity of the oil e.g. B. in a temperature range of 20 ° C to 82 ° C, automatically compensated.
- the magnetic coil S and its magnetic circuit are designed in such a way that the control element K operates with relatively low electrical currents, e.g. less than 6 W. The heat generated by these currents is minimal.
- the valve is designed such that the solenoid S is kept at substantially the same temperature as the pressure medium which is controlled by the valve. In the exemplary embodiment shown, this is achieved in that the heat of the pressure medium is transferred to the magnetic coil and the latter is at the same time provided with thermal insulation in order to prevent the magnetic coil from cooling.
- the insulation can be provided by an air gap or air jacket or by a non-metallic insulating layer 896.
- the temperature of the solenoid S is changed accordingly due to the heat transfer via the metal of the piston housing R and the metal of the control pressure housing G.
- the temperature of the magnetic coil S is influenced more by the temperature of the pressure medium than by the current heat.
- the solenoid S consists, for example, of 1400 copper wire windings with a resistance at 20 ° C of about 24 m, which increases with temperature. With a fixed excitation voltage at the solenoid S, the current flow and thus the magnetic flux also decrease with increasing coil temperature. It follows that the control element K is adjusted to the left, which leads to a movement of the valve closing member in the closing direction. If the solenoid S receives considerably larger amounts of heat from the heat of the pressure medium than is generated by the heat of electricity according to the relationship 1 2 R, an almost complete temperature compensation can be achieved in the event of fluctuations in the operating temperature of the hydraulic pressure medium. By selecting the metals for the magnet coil wire, ie by using metals with a corresponding temperature resistance coefficient, a more or less large temperature compensation can be achieved.
- FIG. 9 shows a valve cartridge of the type according to the invention, which can be inserted as a unit in a line housing or the like, which has a high-pressure inlet channel and an outlet channel for the controlled pressure medium outlet in the interior.
- This inlet housing is indicated by dash-dotted lines and consists of a metal block with a cylindrical channel 910, the inner wall of which is designated 911.
- the channel 910 extends from the housing side 912 to a point where it is connected to a high pressure source.
- a cylindrical outlet channel 914 is also arranged in the housing and intersects the channel 910 at a distance from the housing surface 912.
- the channel 910 is provided with an internal thread 916 at its mouth, into which the valve cartridge can be screwed.
- the valve cartridge consists essentially of a piston housing AA, a housing BB forming the control pressure chamber, a valve actuating piston CC, a valve seat DD, a shaft FF, a control element GG and a solenoid SS, the excitation of which moves the control element GG to the right and according to the valve piston CC to the right, ie in the opening direction of the valve.
- the housing AA essentially consists of a block of high-strength magnetically active metal and has a cylindrical housing space with a cylindrical inner surface 920.
- the housing AA has an external thread approximately in the central area, with which the valve cartridge can be screwed into the internal thread 916 of the housing block.
- the screw connection is sealed by means of an O-ring seal 921.
- the cartridge housing AA reaches with its left end as far as behind the mouth of the outlet channel 914 into the channel 910 and is sealed here by means of an O-ring 922. Between the seals 921 and 922, the cartridge housing has radial openings 924, which establish the connection to the outlet channel 914.
- the valve seat member DD consists of a sleeve-like part made of magnetically active material; it is sealed at the left end of the chamber 919 of the valve cartridge and secured by a retaining ring 934.
- the control housing BB corresponds essentially to the control housing of the previous exemplary embodiments. It has a pair of magnetically active parts 970, 971 which are arranged at an axial distance from one another and are separated by a magnetically ineffective intermediate part 972. These parts are jointed and soldered together so that they form a pressure-tight housing.
- the parts 970, 971 and 972 together form an axial channel with a cylindrical inner wall 975. At the right end, this channel is closed by a cup-shaped screw plug 976, which is screwed into the part 971 and sealed by means of an O-ring 977.
- the plug 976 is also made of a magnetically active material.
- the magnetic coil SS encloses the parts 976, 970, 972 and 971 and is located in a housing jacket 980 made of magnetically active material, which is arranged between the outer surface of the material 976 and the cartridge housing AA, in an attachment thereto.
- the AA cartridge housing is also made of a magnetically effective material.
- the piston CC slides in a sealing arrangement on the inner wall 920 of the housing AA and has a plurality of circumferential pressure compensation grooves 940 arranged at an axial distance on the circumference.
- a valve seat contact surface 941 is arranged, the diameter of which is smaller than the diameter of the piston CC.
- the piston CC is provided with an axial longitudinal channel 964 which extends from its right piston surface 942 to an annular piston surface 965 and thus establishes the connection between the control pressure chamber and the outlet or low pressure.
- the left end of the channel 964 is tapered in diameter at 966 and forms a throttle point here.
- the shaft FF which extends to the right into the control pressure chamber, is arranged on the right piston surface 942.
- the piston surface 942 forms, together with the right end surface 943 of the shaft FF, a pressure surface for moving the piston CC to the left.
- the outer surface 944 of the shaft FF has a circumferential groove 945, which is connected via a radially drilled transverse channel 946 to an axial pressure medium channel 947, which extends from a location near the end surface to the left end 948 of the piston CC.
- Circumferential pressure compensation grooves 953 are also arranged in the surface 944 of the shaft.
- a plug 950 made of a magnetically active material is inserted into the right end of the channel 947 and has an axial channel 951. which is connected via a drilled transverse channel 952 to the high-pressure channel 910 and on the other hand to the channel 947 of the piston CC, so that the high-pressure medium stands on the groove 945.
- the left end face 948 of the plug 951 is in the outside seren edge area beveled to divide the impinging hydraulic fluid flow at this point and to steer in largely vortex-free flow towards the valve seat 932 when the valve is in the open state.
- the control element GG is approximately cup-shaped. It consists of a bottom surface 955 and a peripheral surface 956. The diameter of the inner bore is selected so that the control element GG slides sealingly on the outer surface 944 of the shaft FF. In this exemplary embodiment, the control element GG is slidably supported on the peg-shaped or rod-shaped shaft FF instead of on the inner wall of the control pressure chamber.
- the outer surface 958 of the control element GG has a diameter which is smaller than the diameter of the surface 920, so that a gap is formed here, via which the groove 945 is in pressure medium connection with the piston surface 942 of the piston CC.
- the walls of the pot piece forming the casing of the control element GG are provided with transversely drilled openings 960 which connect the space on the outside of the control element with the groove 945.
- the openings 960 intersect the right end of the groove 945 by an amount which corresponds to approximately half the diameter.
- the control element GG is pressed into the left position by a spring 962, which is supported on the one hand on the bottom of the pot-shaped plug 976 and on the other hand on the bottom of a bore 985, which is located at the right end of the control element GG.
- the bore 985 is connected to the interior of the control element via a small opening or throttle 986 in the base 955. This opening forms a damping opening which stabilizes the actuating movement of the control element GG with respect to the shaft FF.
- the magnetic coil SS is excited by the current source according to FIG. 1, a small current is produced in the coil, which generates a small magnetic flux which is not sufficient to adjust the control element GG against the initial force of the spring 982.
- the high pressure in the channel 910 is transmitted to the right side of the piston CC via the channels 952, 951, 947, 946 and the grooves 945 and 960. Since the right side of the piston is larger than the pressurized area of the valve seat 932, the piston CC is pushed to the left. Under all operating conditions there is a throttled pressure medium connection via these channels to the control pressure chamber and from here via the channel 964 and the throttle 966 to the outlet 914.
- the pressure medium volume is primarily determined by the size of the throttle 966.
- the pressure medium flowing out via the outlet 914 is e.g. supplied to a hydraulic device, wherein a certain pressure builds up in the outlet 914.
- the valve described maintains a constant differential pressure between inlet 910 and outlet 914. If this pressure gradient is to be increased or decreased, the solenoid SS is either energized or electrically switched off, as a result of which the control element GG either moves to the right or to the left and the valve closing element is adjusted in the closing direction or in the opening direction.
- the valve seat DD and the housings AA and BB are made of magnetically effective material.
- the excitation current in the magnet coil SS is sufficient to generate a magnetic field around the valve seat contact surface 941 and in the vicinity thereof. This magnetic field attracts magnetic particles that are carried along by the pressure medium throttled in the region of the channels 952 and deposits them in the vicinity of the valve seat 941. When the valve is opened, the deposited impurities are rinsed out.
- a two-part housing is provided, one housing part of which accommodates the working or actuator and has a high-pressure chamber, while the other housing part is the control housing forming a control pressure chamber.
- the housing parts can be made in one piece or consist of separately manufactured housings which are subsequently connected to one another in a pressure-tight manner.
- the working or actuator or the actuating piston has a surface acted upon by the pressure in the control pressure chamber and is movable in its housing under the pressure effect on this surface against forces acting in the opposite direction in positions which are precisely determined by a magnetically adjustable control element .
- the working or actuator can perform different functions, e.g.
- a stem or other actuator which is led out of the housing, further relax or compress a valve spring, actuate a valve slide, actuate a valve closing element which is connected to the actuator in one piece or consists of a separate part, move the piston of a pump back and forth or perform other operations that have a short stroke of e.g. less than 52 mm in one stroke direction with high lifting force.
- the two housing parts are manufactured separately and then connected to one another, an exact axial alignment of the two housing spaces can cause difficulties.
- the actuator is displaceable in one housing, while the control element moves in the other housing and tightly encloses the shaft. In the event of alignment difficulties the attachment of the shaft to the actuator shown in FIGS. 5 and 6 is recommended.
- valves In known electromagnetically controlled needle valves, relatively large electrical outputs are required to control even small amounts of hydraulic fluid, e.g. 12 watts for a pressure fluid quantity of at most 1.8 I / min. at 210 bar, which corresponds to a ratio of 24 watts per 3.7 I.
- the arrangement here is such that these valves are either fully open or fully closed.
- the maximum flow rate is so small that it can normally only be used to control another pressure-operated main valve, which in turn controls the larger amount of hydraulic fluid that is required by a controlled pressure-medium-operated device.
- the valve can control such large pressure medium volumes that the pressure medium can be used directly as an operating medium for actuating a powerful hydraulic device.
- the devices according to FIGS. 1 and 5 it is possible to move an actuator or the actuating piston back and forth by continuously changing the magnetic force on the control element C, C ', e.g. the potentiometer arm performs an oscillating movement, or one works with an oscillating permanent magnet enclosing the control chamber or by switching the switch of the solenoid shown in FIG. 1 on and off.
- the reciprocating piston movement can be achieved by switching over from one magnet to the other.
- the stroke movement of the actuating piston can e.g. be used to actuate a piston pump.
- the channel 75 can also be omitted and the high-pressure connecting channel 70 can be replaced by other means.
- the high-pressure chamber 16 provided with the inlet opening can be connected to the high-pressure side via a check valve.
- the outlet can be connected via a check valve to a device that is supplied by the pressure of the operating medium that is increased by the pressure of the high-pressure medium.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch gesteuerten Servoantrieb mit Nachlaufsteuerung entsprechend der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
- Aus der DE-C-911 686 ist ein Servoantrieb dieser Art bekannt, bei dem der als Steuerschieber ausgebildete Stellkolben einen axial durchgehenden Druckmittelkanal aufweist, der an seinem einen Ende in der Hochdruckkammer des Gehäuses mündet und an seinem anderen Ende über Radialbohrungen seines Kolbenschaftes mit einer Abflusskammer des Gehäuses verbunden ist, während er im Zwischenbereich über weitere Radialbohrungen an eine Steuerdruckkammer des Gehäuses angeschlossen ist, deren Steuerdruck mit Hilfe des Steuerelementes gesteuert wird. Letzteres besteht aus einer in der Abflusskammer auf dem Schaftende axial verschieblichen Steuerhülse, die mit ihrer am Hülsenende angeordneten Steuerkante den Drosselquerschnitt der Radialbohrungen des Schaftes steuert. Die Steuerhülse weist einen Gabelansatz mit einer verhältnismässig langen axialen Haltestange auf, die über ein Federsystem an einem Festpunkt ausserhalb der Abflusskammer angeschlossen ist. Die aus einer Reglerspule bestehende Magnetvorrichtung umschliesst die Haltestange und wirkt über diese auf die Steuerhülse.
- Die bekannte Nachlaufsteuerung mit der an der Haltestange befestigten Steuerhülse führt zu verhältnismässig grossen Bauabmessungen des Servogeräts und nicht zuletzt auch aufgrund der verhältnismässig grossen Masse der Steuerhülse nebst Gabel und Haltestange zu Steuerungsungenauigkeiten, zumal die Haltestange eine ihre Stellbewegung durch Reibung beeinflussende Abdichtung erhalten muss, wenn sie aus der Abflusskammer zu der aussenliegenden Reglerspule herausgeführt wird.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Servoantrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine baulich einfache und kompakte Ausgestaltung des Geräts bei zuverlässiger und genauer Arbeitsweise der Nachlaufsteuerung erreicht wird.
- Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.
- Bei dem erfindungsgemässen Servoantrieb bildet das hülsenförmige Steuerelement den Anker der Proportionalmagnetvorrichtung, wodurch sich eine baulich einfache und kompakte Bauweise des Servogerätes erreichen lässt, zumal auch die das Steuerelement umschliessende Proportionalmagnetvorrichtung raumsparend in das Gehäuse einbezogen werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass das Steuerelementsich in seiner Gesamtheit innerhalb der den Steuerdruck führenden Steuerdruckkammer befindet, die mit dem zugeordneten Gehäuseanschluss in gedrosselter Verbindung steht. Das Steuerelement ist damit druckausgeglichen und reibungsarm geführt. Es findet seine Führung auf dem Schaft des Stellkolbens. Mit diesen Massnahmen lässt sich eine hohe Steuergenauigkeit bei einer geringen Trägheit bzw. einer niedrigen Hysterese der Nachlaufsteuerung erreichen. Da das Steuerelement keine aus der Steuerdruckkammer hinausgeführten Trag- und Ankerteile aufweist, werden auch Dichtungen für solche Teile vermieden. Für die Stellbewegungen des reibungsarmen Steuerelementes kommt man mit verhältnismässig niedrigen Stellkräften und daher niedrigen elektrischen Leistungen aus. Die magnetische Verstellung des Steuerelementes erfolgt zweckmässig gegen eine Federkraft. Hierbei lassen sich genaue Stellwege erzielen, die unmittelbar proportional der Stärke des von einem analogen elektrischen Signal erzeugten Magnetfeldes sind.
- Vorteilhafte Ausgestaltungsmassnahmen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 14 und 18 angegeben. Bei der in Anspruch 2 angegebenen bevorzugten Ausführungsform weist der Schaft des Stellkolbens zwei axiale Druckmittelkanäle auf, von denen der eine mit dem Hochdruckanschluss und der andere mit dem Niederdruckanschluss des Gehäuses verbunden ist. Diese Massnahme führt zu einer besonders einfachen Ausgestaltung der inneren Leitungsverbindungen bei präziser Steuerung der Öffnungen der beiden Druckmittelkanäle durch das Steuerelement, wobei die Steuerung vorzugsweise mit der in Anspruch 4 genannten Ausgestaltung des Steuerelementes und seiner Steuerkanten bewirkt wird.
- Der genannte Stellkolben ist zweckmässig ein Differentialkolben, der auf seiner kleineren Kolbenfläche von dem Hochdruck und auf seiner grösseren Kolbenfläche von dem Steuerdruck in der Steuerdruckkammer beaufschlagt wird. Das als Anker ausgebildete und daher aus ferromagnetischem Werkstoff bestehende Steuerelement erhält zweckmässig die im Anspruch 6 genannte Beschichtung, für die vorzugsweise ein verschleissfestes Kunststoffmaterial bekannter Art mit selbstschmierender Wirkung verwendet wird. Bei dieser Ausgestaltung des Steuerelementes kann die Wandung der Steuerdruckkammer zur Aussenführung des Steuerelementes dienen, ohne dass dabei aber übermässig grosse Querkräfte auf das Steuerelement ausgeübt werden, die zu einem Kleben des Steuerelementes führen könnten. Dabei ergibt sich zugleich eine reibungsarme Führung des Steuerelementes. Der Aussendurchmesser des hülsenförmigen Steuerelementes und der Innendurchmesser der magnetisierbaren Wandung der Steuerdruckkammer sind so aufeinander abgestimmt, dass ein bestimmter magnetischer Luftspalt vorhanden ist. Dabei wird mit der in Anspruch 7 genannten Massnahme erreicht, dass selbst dann, wenn das Steuerelement durch in seiner Querrichtung wirkende Magnetkräfte geringfügig radial verstellt wird, ein Mindestluftspalt zwischen den Magnetflächen vorhanden ist, wodurch die nachteilige Auswirkung eines Null-Luftspaltes, der zu einem Kleben des Steuerelementes führt, unterdrückt wird. Die Wandungen der Steuerdruckkammer können daher zur Führung des Steuerelementes dienen, ohne dass über diese übermässig grosse Seitenkräfte auf das Steuerelement ausgeübt werden.
- Mit der in Anspruch 8 angegebenen Massnahme lässt sich in vorteilhafter Weise der Hub des Steuerelementes erhöhen und der Einfluss der in Querrichtung auf das Steuerelement wirkenden Magnetkraft zusätzlich vermindern.
- Um Fluchtungsungenauigkeiten und etwaige Verkantungen des das Steuerelement führenden Schaftes zu vermeiden, werden die in den Ansprüchen 9 bis 12 genannten Massnahmen getroffen. Damit werden zugleich die Überanspruchungen des Schaftes und hierauf zurückzuführende Reibungskräfte unterdrückt.
- Die erfindungsgemässe Servovorrichtung ist für vielseitige Zwecke verwendbar. Bevorzugte Verwendungsarten sind in den Ansprüchen 15 bis 17 genannt.
- Mit der Erfindung wird insgesamt eine vielseitig verwendbare Servovorrichtung geschaffen, welche sich mittels eines leistungsschwachen analogen elektrischen Signals zuverlässig steuern lässt und bei der kein beweglicher Teil, gegebenenfalls mit Ausnahme des Ausgangsschaftes od. dgl., nach aussen aus dem Gehäuse herausragt. Das Gerät zeichnet sich durch kompakte Bauweise und präzise Arbeitsweise bei reibungsarmer Führung des Steuerelementes aus.
- Unter «Hochdruck» wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Servovorrichtung jeder Druckmitteldruck verstanden, der über dem Atmosphärendruck liegt und der z. B. bis zu 210 bar und darüber reichen kann. Mit «Niederdruck» ist ein Druck unterhalb des Hochdrucks bis zum Atmosphärendruck zu verstehen, während mit «Steuerdruck» jeder Druck in der Steuerdruckkammer verstanden wird, der zwischen Hochdruck und Niederdruck liegt und der den Stellkolben belastet, um die mechanische Kolbenarbeit zu leisten.
- Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, einen als einseitig arbeitenden Kraftschalter oder Stellmotor verwendbaren Servoantrieb gemäss der Erfindung;
- Fig. 2 in grösserem Massstab einen Teilschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1;
- Fig. 3 in grösserem Massstab einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2;
- Fig. 4 in einem schematischen Schaltdiagramm einen vereinfachten elektrischen Schaltkreis zur Steuerung des Magnetfeldes des erfindungsgemässen Servoantriebs;
- Fig. 5 in einem der Fig. 1 entsprechenden Schnitt einen als doppeltwirkenden Stell- oder Servomotor od. dgl. verwendbaren Servoantrieb;
- Fig. 5A in einem schematischen Schaltdiagramm einen elektrischen Stromkreis zur Speisung der beiden Stromspulen des Geräts nach Fig. 5;
- Fig. 6 in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Servoantrieb ein Schieberventil betätigt;
- Fig. 7 ebenfalls im Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Servoantrieb ein Überdruckventil steuert;
- Fig. 7A in grösserem Massstab einen Ausschnitt der Fig. 7 zur Darstellung der Lage der Druckmittelnuten bei nicht vorhandenem Druckmitteldruck (voll ausgezogen) und bei einem Druckmitteldruck (gestrichelt angedeutet);
- Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Axialschnitt, bei dem der Servoantrieb ein Durchflussregelventil steuert;
- Fig. 8A eine der Fig. 7A entsprechende Teilschnitt-Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 8;
- Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Servoantrieb bei einer Ventilpatrone Verwendung findet, die sich an einem mit Einlass- und Auslasskanälen versehenen Gehäuseteil durch Verschrauben anschliessen lässt.
- Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, elektromagnetisch gesteuerte, als Stell- oder Servomotor dienende Servoantrieb mit Nachlaufsteuerung weist ein im wesentlichen aus zwei Teilen bestehendes Gehäuse, nämlich ein Kolbengehäuse H und ein Steuerelementgehäuse M, auf. In dem Kolbengehäuse H ist als Stellglied ein Differentialkolben angeordnet, der aus einem druckmittelbeaufschlagten Stellkolben P und einem Hochdruckkolben Q besteht. Der die beiden Kolben P und Q umfassende Differentialkolben ist in dem Gehäuse H verschiebbar geführt und weist einen Ausgangsschaft O auf. Mit dem Kolben P ist Schaft E verbunden, der ein Steuerkanalelement bildet. Ein Steuerelement C ist in dem Gehäuse M gegenüber dem Schaft E zumindest teilweise abgedichtet verschiebbar gelagert. Das Steuerelement C ist in dem Gehäuse M mit Hilfe einer Magnetspule S, die ein Magnetfeld erzeugt, verstellbar, wobei die Einstellung in bestimmte Einstellpositionen abhängig ist von dem Erregungszustand der Magnetspule S. Das Kolbengehäuse H besteht aus einem Block oder Zylinder aus Metall mit einem zylindrischen Gehäuseraum mit der zylindrischen Innenwand 10 und einer axial mit dem Gehäuseraum fluchtenden Kammer mit kleinerem Durchmesser, die von der zylindrischen Innenwand 11 begrenzt wird. Am Übergang zwischen den koaxialen Räumen ist eine Schulter 12 gebildet, die einen linksseitigen Anschlag für den Kolben P bildet.
- Der Hochdruckkolben Q gleitet mit seiner Mantelfläche 13 in Dichtanlage mit der Wand 11 und teilt die Kammer in eine auf seiner rechten Seite liegende Niederdruckkammer 15 und eine auf seiner linken Seite liegende Hochdruckkammer 16. Der Schaft O durchfasst eine Öffnung einer Schraubhülse 17 und ist in der Öffnung mittels einer Dichtung 14 abgedichtet. Die Schraubhülse 17 ist in das linke Ende der Druckkammer 16 eingeschraubt und mittels eines O-Ringes 18 abgedichtet. Eine Hochdruck-Einlassöffnung 19, die mit einem Innengewinde 20 für eine hydraulische Anschlussarmatur versehen ist, verbindet die Hochdruckkammer 16 mit der Zuleitung eines hydraulischen Hochdruckmediums.
- Der Stellkolben P gleitet mit seiner Umfangsfläche 21 in Dichtanlage an der zylindrischen Wandung 10 des Gehäuses H. Auf der rechten Seite des Kolbens P befindet sich eine Steuerdruckkammer 22. Seine linke Kolbenfläche 23 ist dem Niederdruckraum 15 zugewandt. Der Niederdruckraum 15 ist über eine Auslassöffnung 24, die ebenfalls mit einem Innengewinde 25 für eine Anschlussarmatur versehen ist, mit einem Rücklauf oder Sumpf od. dgl. verbunden.
- Der Stellkolben P, welcher das hydraulische Arbeitsteil bildet, weist an seiner Umfangsfläche 21 mehrere Druckausgleichsnuten 26 auf. Die rechte Kolbenfläche 27 des Stellkolbens P bildet eine Druckfläche, die der Steuerdruckkammer 22 zugewandt ist, während die linke Kolbenseite 23 von dem Druck in dem Niederdruckraum 15 beaufschlagt wird. Die Kolbenfläche 23 weist eine oder mehrere radiale Nuten 29 auf.
- Der Hochdruckkolben Q dient zur Vorspannung des Stellkolbens P in Richtung auf die Steuerdruckkammer 22. Er weist in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Druckausgleichsnuten 32 an seiner Umfangsfläche 13 auf und ist mit einer vom Hochdruck in der Hochdruckkammer 16 beaufschlagten, ringförmigen Kolbenfläche 33 und einer dem Niederdruckraum 15 zugewandten Kolbenfläche 34 versehen. Der Kolben Q ist entweder einstückig mit dem Stellkolben P ausgebildet oder an diesem befestigt. Gleiches gilt für die Anordnung des Schaftes O oder an dem Kolben Q. Das äussere Ende des Schaftes O kann mit irgendeinem verstellbaren, schaltbaren oder steuerbaren Gegenstand zusammenwirken. Die Querschnittsfläche des Kolbens Q abzüglich der Querschnittsfläche der Stange O ist angenähert gleich der halben Querschnittsfläche des Stellkolbens P.
- Das Steuerelementgehäuse M besteht im wesentlichen aus einem Paar im Axialabstand zueinander angeordneter, magnetisch wirksamer Teile 40 und 41 und einem zwischen diesen liegenden magnetisch unwirksamen Teil 42, dessen beide Enden in dichtender Anlage an den benachbarten Enden der Teile 50 und 41 liegen. Die dichtende Verbindung kann in unterschiedlicher Weise, z.B. mittels O-Ringen oder, wie dargestellt, dadurch bewerkstelligt werden, dass die Teile 40, 41 und 42 miteinander verfugt und verlötet werden. Die Teile 40, 41 und 42 bilden einen durchgehend zylindrischen Kanal 45 mit einer zylindrischen Wandung 46. Der Kanal 45 bildet eine Verlängerung der Steuerdruckkammer 22 des Steuerelementgehäuses H.
- Das Teil 40 ist in das Stellkolbengehäuse H bei 48 eingeschraubt und mittels einer O-Ringdichtung 49 abgedichtet. Die linke Stirnfläche 46 dieses Teils 40 bildet einen rechtsseitigen Anschlag für den Stellkolben P, dessen Kolbenweg SP somit gleich dem Abstand der Anschlagflächen 12 und 46 abzüglich der Axiallänge des Kolbens P ist. Das Teil 40 weist in Nähe seines linken Endes einen Flansch 50 auf, der radial in den Kanal 45 vorspringt und einen linksseitigen Anschlag 51 für das Steuerelement C bildet. Das rechts liegende Ende des Kanals 45 ist von einem topfförmigen Schraubstopfen 60 verschlossen, der in das Teil 41 eingeschraubt und gegenüber diesem durch eine O-Ringdichtung 61 abgedichtet ist. Der Schraubstopfen 60 kann aus einem magnetisch wirksamen oder einem magnetisch unwirksamen Werkstoff bestehen.
- Das Gehäuse M und der Teil des Gehäuses H, der auf der rechten Seite der Kolbenfläche 27 des Kolbens P liegt, bilden die Steuerdruckkammer. Das Teil 40 des Gehäuses M weist einen radial nach aussen vorspringenden Flansch 52 und das Teil 41 einen magnetisch wirksamen Ring 53 als Gegenflansch im Axialabstand zu dem Flansch 52 auf. Die Magnetspule S liegt zwischen diesen radialen Flanschen 52 und 53. Eine Hülse 55 aus magnetisch wirksamem Material umschliesst die Magnetspule S und verbindet die beiden radialen Flansche 52 und 53 unter Überlappung mit diesen. Das Gehäuse M bildet demgemäss um die Magnetspule S herum eine geschlossene magnetische Schleife, mit Ausnahme eines magnetischen Luftspaltes, der von dem magnetisch unwirksamen Zwischenteil 42 gebildet wird.
- Der Schaft E besteht aus einer Stange aus magnetisch nicht-wirksamem Werkstoff; es erstreckt sich von der rechten Seite der Kolbenfläche 27 des Stellkolbens P axial nach rechts und ist mit einer zylindrischen Aussenfläche 65 versenen. Der Schaft E kann einstückig mit dem Kolben P verbunden oder als gesondertes Teil gefertigt und, wie z.B. in Fig. 5 dargestellt, am Kolben angeschlossen sein. Der Aussendurchmesser des Schaftes E beträgt zumindest angenähert 6,35 mm; er ist kleiner als die innere Ringfläche des Flansches 50, so dass das Druckmedium hier einen freien Durchfluss hat, wenn sich der Stellkolben P zusammen mit dem Schaft E in dem Gehäuse bewegt.
- Die Hochdruckkammer 16 ist mit der Steuerdruckkammer 22 verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verbindung über einen axialen Druckmittelkanal 70 bewirkt, welcher sich von dem rechten Ende des Schaftes E durch den Stellkolben P und den Kolben Q hindurch erstreckt und über einen Radialkanal 71 mit der Hochdruckkammer 16 in Verbindung steht. Der Kanal 70 kann von dem rechten Ende 72 her in das Steuerkanalelement E gebohrt werden. Er ist hier mittels eines Stopfens 73 verschlossen.
- Die Steuerdruckkammer 22 ist ausserdem mit der Niederdruckseite verbunden. Dies geschieht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen zweiten axialen Druckmittelkanal 75, der sich von dem rechten Ende des Schaftes E durch den Stellkolben P erstreckt und hinter dem Stellkolben über einen Radialkanal 76 mit dem Niederdruckraum 15 verbunden ist. Auch dieser Kanal 75 ist von der rechten Seite her in das Steuerkanalelement E gebohrt und hier mittels eines Stopfens 78 verschlossen.
- Der Schaft E weist an seiner zylindrischen Aussenfläche ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter Umfangsnuten 80 und 81 auf (Fig. 3), die durch einen Steg 82 getrennt sind, dessen axiale Länge angenähert gleich dem Hub s des Stellkolbens P ist. Die Nut 80 ist mit dem Hochdruckkanal 70 über einen Radialkanal 84 verbunden, während die Nut 81 über einen Radialkanal 86 an den Niederdruckkanal 75 angeschlossen ist. Die Flanken 80', 80" der Nut 80 schneiden die Aussenfläche 65 des Schaftes E unter einem scharfen Winkel von vorzugsweise 90°, wodurch als Steuerkante ein scharfer Winkel 87 gebildet wird. Die Nut 81 weist ebenfalls radiale Flanken 81' und 81" auf, die mit der Aussenfläche 65 scharfe Winkel 88 ausbilden.
- Die Steuerdruckkammer 22 ist demgemäss über die im Axialabstand angeordneten, im wesentlichen gleich ausgebildeten Nuten 80, 81 an der Aussenfläche 65 des Schaftes E und über die genannten axialen Druckmittelkanäle 70 und 75 mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbunden. Der Stellkolben P und der Schaft E sind in Richtung der Kolbenachse beweglich. Die Nuten 80 und 81 bilden Einlass- und Auslassöffnungen zu bzw. von der Steuerdruckkammer 22. Sie weisen in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Steuerelementes C.
- Das Steuerelement C, welches durch die Innenwandung 46 des Gehäuseteils M geführt wird, hat die Aufgabe, den Ausfluss des Druckmediums aus der die Einlassöffnung bildenden Nut 80 zu drosseln und den Fluss des Druckmediums in die die Auslassöffnung bildende Nut 81 zu öffnen und umgekehrt. Die Bezeichnung «Auslassöffnung» und «Einlassöffnung» bezeichnet hier die Richtung des Druckmittelflusses in bezug auf die Steuerdruckkammer 22.
- Das Steuerelement C besteht aus einer Hülse, deren zylindrische Innenwand einen solchen Durchmesser hat, dass ein enger Spalt bzw. ein Spiel f zu der Aussenfläche 65 des Schaftes E vorhanden ist. An dieser zylindrischen Innenfläche der Hülse ist im wesentlichen in der Hülsenmitte eine Steuernut 90 angeordnet, die über ein Paar diametral einander gegenüberliegender Radialkanäle 91 mit der Aussenseite der Hülse verbunden sind. Die Radialkanäle 91 münden in Längsnuten 93 an der Aussenseite der Hülse, welche zu den Hülsenenden hinführen. Die Steuernut 90 weist vorzugsweise eine Axialabmessung, d. h. eine Breite auf, die mindestens gleich dem Gesamthub des Stellkolbens P ist. Bei einem Hub SP von z.B. 15,8 mm sollte die Nutbreite mindestens etwa 19 mm betragen. Die Flanke 90' der Steuernut 90 befindet sich in einem Abstand von dem linken Ende des Steuerelementes C, der mindestens gleich dem maximalen Verstellweg des Steuerelementes C nach rechts und mindestens dem maximalen Hub des Kolbens P entspricht. Die beiden Flanken 90' und 90" der Steuernut 90 befinden sich in einem Abstand, der geringfügig, z.B. 0,05 bis 0,1 mm kleiner ist als die Breite des Steges 82. Die Flanken 90' und 90" schneiden die Innenfläche des Steuerelementes C rechtwinklig, d. h. unter Ausbildung scharfer Steuerkanten 94 und 96, die den Steuerkanten 87 und 88 zugewandt sind und mit diesen Drosseln 97 und 98 bilden, deren Drosselquerschnitt sich mit der Stellbewegung des Steuerelementes C gegenüber dem Schaft E verändert.
- Das Steuerelement C wird von einer Schraubenfeder 95 mit einer kleinen Federkraft von z. B. 0,9 Kg nach links gedrückt, die sich mit ihrem einen Ende gegen die Bodenfläche des Schraubstopfens 60 und mit ihrem anderen Ende gegen das rechte Ende des Steuerelementes C abstützt. Das linke Ende des hülsenförmigen Steuerelementes C stützt sich gegen einen Ring 99 aus magnetisch unwirksamem Material ab, der seinerseits an der rechten Stirnfläche 51 des Flansches 50 abgestützt ist. Der Ring 99 bildet einen magnetischen Luftspalt zwischen dem Flansch 50 und dem Steuerelement C. Ein oder mehrere Radialnuten 99' in der sich gegen den Flansch legenden Fläche stellen eine Verbindung zwischen den Druckkammern 45 und 22 her.
- Die Nuten 80 und 81 sind von dem Stellkolben P in einem solchen Abstand angeordnet, dass der Steg 82 gegenüber der Steuernut 90 ausgerichtet ist, wenn sich das Steuerelement C in seiner dargestellten, linken neutralen Position befindet. Hierbei ist eine kleine Überlappung der Nutkanten und demgemäss ein kleiner Leckstrom des Druckmediums durch den Spalt f von der Hochdruckkammer über den Kanal 70 in die Steuernut 90 und dann über den Kanal 75 zu der Niederdruckkammer 15 hin gegeben. Der Druck in der Nut 90 und in der Steuerdruckkammer 22 liegt hier angenähert in der Mitte zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck. Die Kolben P und Q sind druckausgeglichen.
- Das rechte Ende 100 des hülsenförmigen Steuerelementes ist so ausgebildet, dass es sich zum Hülsenende hin konisch verjüngt.
- Das Steuerelement C weist zwischen seiner Aussenfläche 103 und der Innenfläche 46 der Kammer 45 ein Spiel cx von 0,013 mm auf, damit das Steuerelement sich ohne nennenswerte Reibung in der Steuerdruckkammer radial bewegen kann. Wie Fig. 3 zeigt, besteht das Steuerelement C aus einem magnetisch wirksamen Teil mit einem Aussendurchmesser d und einer äusseren Beschichtung 105 aus einem magnetisch nichtwirksamen Material mit einer Dicke t, die mindestens dem doppelten Spiel cx, etwa 0,026 mm, entspricht. Die Beschichtung 105 kann aus jedem hierfür geeigneten, unmagnetischen bzw. magnetisch unwirksamen Werkstoff, wie z.B. Kupfer, Messing, rostfreiem Stahl od. dgl., bestehen. Vorzugsweise wird hierfür ein Kunststoffmaterial, insbesondere "Teflon" (Warenzeichen der Firma Du-Pont Corporation) oder ein äquivalentes Kunststoffmaterial mit geringer Reibungseigenschaft verwendet.
- Die radialen Magnetkräfte an dem als Anker ausgebildeten Steuerelement C wirken in den meisten Fällen geringfügig exzentrisch, so dass das Steuerelement um etwa sein Bewegungsspiel so weit radial verstellt wird, dass es sich mit seiner Aussenfläche punkt- oder linienförmig gegen die Wandung 46 legt. Es ist bekannt, dass, wenn zwei magnetisch wirksame Flächen durch ein Magnetfeld gegeneinandergezogen werden, die Magnetkräfte bei Annäherung des magnetischen Luftspaltes gegen Null nach einer asymptotischen Kurve auf einen Maximalwert ansteigen. Durch die Verwendung der magnetisch unwirksamen Umhüllung oder Beschichtung 105 in der genannten Stärke wird das Verhältnis des maximalen Luftspaltes zwischen den magnetisch wirksamen Flächen zu dem geringstmöglichen Luftspalt so eingestellt, dass es niemals den Wert 2 : 1 übersteigt. Die zwischen der Aussenfläche des Steuerelementes C und den Innenflächen der magnetisch wirksamen Teile 40 und 41 wirkenden Radialkräfte werden auf diese Weise begrenzt. Das Spiel f zwischen der Innenfläche des Steuerelements C und der Aussenfläche 65 des Schaftes E ist vorzugsweise mindestens gleich dem Spiel cx, um zu verhindern, dass die genannten Radialkräfte das Steuerelement C in Reibanlage gegen das Element E ziehen.
- Das Steuerelement C wird durch die Vorspannkraft der Feder 95 in Anlage gegen den Abstandsring 99 und den Anschlag 50 gedrückt. In dieser Funktion sind die Nuten 80 und 81 gegenüber der Steuernut 90 normalerweise um das gleiche Mass gedrosselt. Die Breite bzw. Axialabmessung der . Nut 90 ist vorzugsweise mindestens gleich dem Hub des Kolbens P und dem Hub des Steuerelements C, so dass die Steuernut 90 stets in Verbindung mit der Nut 81 steht, auch dann, wenn sich das Steuerelement C in seiner äussersten rechten Position und der Kolben P in seiner äussersten linken Position befindet.
- An den Drosselstellen 97 und 98 stellt sich ein erheblicher Druckabfall ein. Selbst in der Null-oder Neutralposition ergibt sich ein kontinuierlicher Druckmittelfluss durch die Drosselstellen, der unmittelbar proportional den Durchflussquerschnitten der beiden Drosseln ist. Der Durchflussquerschnitt jeder Drossel ist gleich dem Spalt f, multipliziert mit dem Umfang des Schaftes E. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Schaftes E etwa 6,35 mm, was unter Zugrundelegung des genannten Spiels einen sehr kleinen Aussenquerschnitt ergibt. Infolgedessen wird eine geringere Null-Leckage erhalten. Ausserdem ergibt sich eine verbesserte Passung der Elemente bei kleineren Fertigungstoleranzen und verbesserter Konzentrizität.
- Anstelle der in den stangenförmige Schaft E eingebohrten Kanäle 70 und 75 können diese auch durch konzentrisch ineinanderliegende Rohre gebildet werden, wobei das innere Rohr die Verbindung zur Hochdruckseite und der Ringraum zwischen den Rohren die Verbindung zur Niederdruckseite herstellt.
- Die Magnetspule S der Proportionalmagnetvorrichtung weist vorzugsweise mehrere Lagen an Kupferdrähten auf, die in einem Isoliermedium eingekapselt sind. Ihre Ausgangsdrähte 110x und 111x sind durch Isolierungen in der Mantelhülse 55 herausgeführt. Für die elektrische Stromversorgung der Magnetspule S können elektrische Stromquellen unterschiedlicher Art Verwendung finden, die den im Hinblick auf die Anzahl der Spulenwindungen erforderlichen Strom liefern. In einigen Fällen ist es angebracht, eine Wechselstromquelle oder eine Kombination einer Wechselstromquelle mit einer Gleichstromquelle zu verwenden. Die geringfügige Schwingung des resultierenden Flusses hat hierbei einen geringfügigen Vibrationseffekt auf das Steuerelement C, welcher dazu beiträgt, ein Kleben bzw. Festsetzen des Steuerelementes zu unterdrücken, und ausserdem die durch das Festsetzen des Steuerelementes bewirkte Hysterese zu beseitigen. Fig. 4 zeigt schematisch eine Stromquelle 115x, die eine Wechselstromquelle, eine von einer Wechselstromquelle überlagerte Gleichstromquelle oder eine Gleichstromquelle ist, zusammen mit einem Potentiometer 116X, dessen Aussenanschluss 117X über einen Leitungsdraht 118X mit dem einen Ausgang der Stromquelle verbunden ist. Der andere Anschluss 119X des Potentiometers ist über einen Leitungsdraht 120X und einen veränderlichen Widerstand 121X sowie einen Leitungsdraht 111X zu dem anderen Ausgang der Stromquelle geführt. Die Magnetspule S ist über einen Leitungsdraht 110X mit dem Potentiometerarm 126X verbunden, während der andere Anschluss 127X der Magnetspule an den Leitungsdraht 111X angeschlossen ist. Bei Verstellung des den Potentiometerabgriff bildenden Potentiometerarms 126X wird der die Magnetspule S durchfliessende Strom von einem durch den Widerstand 121X bestimmten Minimalwert auf einen von dem Widerstand der Magnetspule S und der Spannung der Stromquelle bestimmten Maximalwert verändert.
- Die Stromquelle könnte auch aus einem Computer oder irgendeiner anderen Quelle bestehen, mit der sich an der Magnetspule S ein analoges elektrisches Signal anlegen lässt.
- Der die Magnetspule S durchfliessende Strom erzeugt einen Magnetfluss über das magnetisch wirksame Teil 40 zu dem ebenfalls magnetisch wirksamen Steuerelement C, welches den von dem Teil 105 gebildeten Luftspalt überbrückt, zu dem magnetisch wirksamen Teil 41 hin. Bei steigendem Magnetfluss wird das Steuerelement C gegen die Rückstellkraft der Feder 95 nach rechts gezogen, wodurch der magnetische Luftspalt geschlossen wird.
- Der veränderliche Widerstand 121X hält einen geringfügigen Vorspannstrom in der Magnetspule S aufrecht, wenn der Potentiometerarm 126X sich in der dargestellten Position der Mindesterregung, d.h. in Kontakt am Aussenanschluss 119X, befindet, so dass das Steuerelement C mit einer Kraft nach rechts gezogen wird, die geringfügig kleiner ist als die geringstmögliche Vorspannkraft der Feder 95.
- Aufgrund der konischen Verjüngung 100 des Steuerelementes C können die magnetischen Kräfte, welche das Steuerelement C bei jedem Erregerstrom nach rechts zu ziehen suchen, über den gesamten Verstellbereich des Steuerelementes C hinweg im wesentlichen konstant gehalten werden. Dies bedeutet, dass eine verhältnismässig flache Kraft-Wegkurve für das Steuerelement erhalten wird. Da die Schraubenfeder 95 eine deutlich ansteigende Kraft-Wegkurve hat, schneiden sich die beiden Kurven an einem genau definierten Punkt, so dass sich das Steuerelement C bei jedem Erregerstrom in der Magnetspule S stets in eine genau vorbestimmte Position innerhalb der Kammer einstellt.
- Wenn sich das Steuerelement C gegenüber dem Schaft E bewegt, wird der Durchströmquerschnitt am Übergang von der Nut 80 zu der Steuernut 90 erhöht oder vermindert im Verhältnis zu dem Stellweg, während die Verbindung der Nuten 90 und 81 in ihrem Querschnitt im umgekehrten Sinn verändert wird. Das Zusammenwirken der Nut ist vergleichbar einem Paar veränderlicher Ventile oder Drosseln, die in Reihe zwischen Hochdruck und Niederdruck geschaltet sind, wobei die Steuernut 90 einen Zwischenkanal zwischen den Nuten bildet und unter einem Zwischen- oder Steuerdruck steht. Der Durchfluss durch eine Drossel ist unmittelbar proportional dem Drosselquerschnitt und der Quadratwurzel des Druckabfalls über die Drossel. Da der Durchfluss durch zwei hintereinandergeschaltete Drosseln genau gleich gross ist, muss sich der Druck in der Zwischenverbindung, d.h. in der Nut 90 zwischen den beiden Drosselventilen, zwangsläufig im Sinne einer Druckerhöhung oder Druckverminderung verändern, um die Bedingung der gleichmässigen Durchströmung der beiden Drosseln zu erfüllen. Der Druck in der Nut 90 wird über die Nut 99' in die Steuerkammer 22 übertragen. Er wirkt hier im Sinne einer Verschiebung des Stellkolbens P nach links mit einer Kraft, die der druckbeaufschlagten Fläche des Stellkolbens P, multipliziert mit der Druckhöhe, ist.
- In Gegenrichtung wirkt auf die Kolbenfläche 33 des Hochdruckkolbens Q und damit auf den Stellkolben der Hochdruck. Da die Kolbenfläche 33 um z.B. 50% kleiner ist als die druckbeaufschlagte Fläche des Stellkolbens P, übt der Hochdruck eine Kraft aus, die den Kolben P nach rechts zu verschieben sucht. Wenn diese Kräfte zuzüglich oder abzüglich irgendwelcher äusseren Kräfte an dem Ausgangsschaft O nicht im Gleichgewicht stehen, bewegen sich die Kolben in Richtung der höheren Kraft, bis der Gleichgewichtszustand hergestellt ist.
- Aufgrund der mechanischen Verbindung des Schaftes E mit den Kolben P führt jede Kolbenbewegung zu einer Veränderung der Verbindung der beiden vorgenannten Drosseln, bis der Druck in der Steuerdruckkammer 22 auf die Kolbenfläche 27 des Stellkolbens eine nach links gerichtete Kraft ausübt, die genau gleich der Kraft ist, welche der Hochdruck am Kolben Q bewirkt, zuzüglich bzw. abzüglich etwaiger von aussen an dem Schaft O wirkender Kräfte.
- Sehr geringe relative Veränderungen der Drosselquerschnitte führen zu grossen Änderungen des Drucks in der Steuernut 90 und damit in der Steuerdruckkammer 22. Die Kolben P und O folgen stets unverzüglich der Bewegung des Steuerelementes C nach rechts oder links bei Veränderung des Erregungszustandes der Magnetspule S. Grosse Schwankungen der an dem Schaft O wirkenden Aussenkräfte, d.,h. entweder Zug- oder Druckkräfte, führen zu grossen Druckänderungen in der Steuerdruckkammer 22 bei nur sehr geringen Kolbenbewegungen von z.B. 0,025 mm.
- Fig. 1 zeigt den Servoantrieb bei maximalem Druck des Druckmediums und bei nahezu Null-Erregerstrom. In diesem Zustand steht die Nut 80 unter Hochdruck und die Nut 81 unter Niederdruck. Die beiden Nuten 80 und 81 sind gegenüber der Steuernut 90 um dasselbe Mass gedrosselt. Der Druckabfall von der Nut 80 zur Nut 90 und von letzterer zu der Nut 81 ist somit derselbe. Der Druck in der Nut 90 und in der Steuerdruckkammer 22 liegt daher genau in der Mitte zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck. Da die Grösse der Kolbenfläche 27, welche die Querschnittsfläche des Steuerkanalelementes E einschliesst, doppelt so gross ist wie die Grösse der Kolbenfläche 33, sind die Druckkräfte ausgeglichen. Die Kolben P, Q und der Schaft E befinden sich daher in ihrer äussersten linken Position.
- Wird nun die Magnetspule S durch Verstellen des Potentiometerarms 126X des Potentiometers 116 nach links erregt, so erhöht sich der die Magnetspule S durchfliessende Strom und entsprechend der Magnetfluss in den magnetisch wirksamen Teilen 40 und 41 mit der Wirkung, dass das Steuerelement C sich gegen die Rückstellkraft der Feder 95 nach rechts bewegt. Bei dieser Stellbewegung läuft die Steuernut 90 von der Nut 80 fort in Richtung auf die Nut 81. Infolgedessen stellt sich zwischen den Nuten 80 und 90 ein grösserer Druckabfall und zwischen den Nuten 90 und 81 ein verminderter Druckabfall ein. Der Anstieg der Drosselwirkung zwischen den Nuten 80 und 90 hat die Tendenz, den Druck in der Steuerdruckkammer 22, 45 zu vermindern, wodurch sich eine Druckwirkung auf den Kolben P im Sinne seiner Verschiebung nach links ergibt. Die auf den Kolben Q nach rechts wirkenden Kräfte bleiben dieselben. Die Kolben P, Q und der Schaft E bewegen sich daher nach rechts, bis die Druckkräfte an diesen drei Elementen wieder exakt im Gleichgewichtszustand sind. Wird das Steuerelement C weiter nach rechts verstellt, so fällt der Druck in der Steuernut 90 und in der Steuerdruckkammer 22 weiter ab mit der Folge, dass sich die Kolben Q, P und der Schaft E weiter nach rechts bewegen und damit die an den Kolben P, Q und dem Schaft E wirkenden Kräfte im Gleichgewichtszustand halten.
- Bei Abwesenheit von Aussenkräften an dem Schaft O bleibt bei einem konstanten Hochdruck der Druck in der Steuerdruckkammer konstant. Das einzige, was sich ändert, ist die Position der Kolben, des Schaftes E und des Schaftes O, wenn diese der Stellbewegung des Steuerelements C folgen.
- Äusserst kleine relative Bewegungen der Nuten 80, 81 gegenüber der Steuernut 90 können grosse Druckänderungen hervorrufen. Die Drücke in der Steuerdruckkammer 22 reichen von nahezu Hochdruck bis nahezu Niederdruck bei sehr geringer Bewegung der Kolben P und Q von z. B. 0,025 mm, um die Wirkung der von aussen an dem Schaft O wirkenden Kräfte auszugleichen.
- Bei einem Versagen der elektrischen Stromzuführung bewegt sich das Steuerelement C unter der Rückstellkraft der Feder 95 in die linke Neutralposition, wobei die Kolben P und Q sich automatisch in die in Fig. 1 gezeigte linke Position einstellen.
- Fig. 5 zeigt einen doppeltwirkenden Servoantrieb, der im Aufbau weitgehend demjenigen nach den Fig. 1 bis 3 entspricht. Übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen belegt, während funktionell übereinstimmende, jedoch baulich geänderte Teile die mit einem Indexstrich versehenen Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 bis 3 tragen.
- Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Schaft E' radial beweglich mit dem Stellkolben P' verbunden, um etwaige Fluchtungsfehler der beiden miteinander verbundenen Gehäuseteile auszugleichen. Das linke Ende 108 des Schaftes E' greift mit Spiel in eine Bohrung 107 am rechten Ende des Stellkolbens P' und ist in dieser Bohrung mittels einer weich-flexiblen Druckdichtung 110 abgedichtet. Der Schaft E' weist im Axialabstand von seinem Ende 108 einen Flansch 121 auf, der ebenfalls eine weich-flexible Druckdichtung 111 trägt, die in Dichtanlage an der Innenwand einer Gegenbohrung steht. Das linke Ende 108 zwischen diesen Dichtungen 110 und 111 weist eine umlaufende Nut 113 auf, die über einen Radialkanal 114 mit dem linken Ende des Kanals 75' verbunden ist. Diese Nut 113 ist über einen Kanal 116, welcher diagonal durch den Kolben P' hindurchgeführt ist, mit der Kolbenseite 123 und damit mit dem Teil 115 der Niederdruckkammer 15 verbunden. Die Sicherung des linken Endes 108 des Schaftes E' in der Bohrung 107 erfolgt mittels eines Halteringes 120, der sich gegen eine Schulterfläche des Flansches 121 abstützt und der seinerseits von einem Sprengring 124 gehalten wird, der in einer Nut der Kolbenbohrung sitzt.
- Der Flansch 121 hat eine Fläche, die doppelt so gross ist wie die Stirnfläche 108. Er ist daher relativ zu dem Kolben P' druckausgeglichen.
- Die radial bewegliche Verbindung des Schaftes E' mit dem Stellkolben in der vorstehend beschriebenen Weise oder in anderer Ausführung lässt sich bei allen in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen vorsehen.
- Der Servoantrieb nach Fig. 5 weist ausserdem ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter Magnetspulen S und S' sowie ein Paar magnetisch nicht-wirksamer Teile 42, 42' im Inneren der Magnetspulen auf, zwischen denen ein magnetisch wirksames Teil 43 liegt, welches mit einem Radialflansch 43' od. dgl. versehen ist, der zwischen den beiden einander zugewandten Enden der Magnetspulen S und S' liegt. Beide Magnetspulen S und S' haben daher jeweils einen Magnetkreis, der auf den von den Teilen 42, 42' gebildeten magnetischen Luftspalt über das Steuerelement C' geschlossen ist.
- Das Steuerelement C' entspricht dem Steuerelement C der Fig. 1 mit der Ausnahme, dass hier auch sein linkes Ende 100' konisch-verjüngend ausgebildet ist.
- Die magnetisch wirksamen Gehäuseteile, die auf der dem Gehäuseteil 43 gegenüberliegenden Seite der Teile 42 und 42' liegen, sind mit einem um etwa 0,25 mm grösseren Durchmesser gegengebohrt, um links und rechts Schultern zu bilden, deren Abstand um vorzugsweise etwa 0,25 mm grösser ist als die axiale Länge des Steuerelementes C'. Ein geschlitzter Sprengring 128 sitzt in einer Nut an der Fläche dieser Gegenbohrung und bildet einen Stützring 129 aus rostfreiem Stahl für eine Feder 95'. Der Sprengring 128 ist so angeordnet, dass unter Berücksichtigung der Dicke des Stützringes 129 der Abstand der linken Fläche 130 des Stützringes von der Schulter derselbe ist wie der Abstand der Bodenfläche des topfförmigen Schraubstopfens 60 von der rechten Schulter. In jeder der beiden Gegenbohrungen sitzt ein Stützring 132 bzw. 133, der in der betreffenden Gegenbohrung beweglich ist und sich gegen die zugeordnete Schulter abstützen kann. Die zu beiden Seiten des Steuerelementes C' angeordneten Schraubenfedern 95 und 95' drücken die Stützringe 132, 133 gegen die genannten Schultern. Die Federn sind vorzugsweise von gleicher Ausbildung; sie stehen unter einer geringen Anfangsdruckvorspannung von z. B. etwa 0,95 kg. Die Federn 95 und 95' brauchen hierbei nicht genau gleich zu sein, um die Nut 90 des Steuerelements C' gegenüber den Nuten 80 und 81 in ihre Mittellage einzustellen. Wenn das Steuerelement C' durch Erregung einer Magnetspule verstellt wird, stellt sich ein geringer Totpunkt in der Bewegung des Steuerelements ein, bevor die Erregung der Magnetspule einen Wert erreicht, bei welchem diese Anfangsdruckkraft überwunden und das Steuerelement C' verstellt wird.
- Fig. 5A zeigt schematisch in einem Schaltdiagramm eine Stromquelle zur Stromversorgung der beiden Magnetspulen S und S'. Ein Potentiometer mit einem Widerstandselement 142 ist mit seinen Aussenanschlüssen über Leitungen 141, 143 mit den Klemmen einer Batterie 146 und mit den beiden Magnetspulen S, S' verbunden. Der den Abgriff bildende Potentiometerarm 144 ist an die beiden anderen Anschlüsse der Magnetspulen S, S' über eine Leitung 145 angeschlossen. Der Potentiometerarm 144 wird von (nicht dargestellten) Federn in eine Mittellage eingestellt, in der beide Magnetspulen S, S' gleich, jedoch mit einem Minimalerregerstrom und mit entgegengesetzter magnetischer Polarität beaufschlagt werden, so dass sie auf das Steuerelement C' gleiche, jedoch in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte ausüben, die das Steuerelement in seiner Mittel-oder Neutralposition halten.
- Die Arbeitsweise der Magnetspulen S, S' im Zusammenwirken mit dem Steuerelement C' entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Wird die Magnetspule S stärker erregt als die Magnetspule S', so verstellt sich das Steuerelement C' und mit ihm der Schaft E' und der Stellkolben P' nach links. Bei Stromausfall gelangt das Steuerelement C' unter der Wirkung der Feder 95, 95' wieder in seine dargestellte neutrale Mittellage. Da die Federn 95, 95' unter einer Anfangsvorspannung stehen, muss der Potentiometerarm 144 über einen kleinen Bogenweg in der einen oder anderen Richtung verstellt werden, bevor die an dem Steuerelement C' wirkende Magnetkraft die Anfangsvorspannung übersteigt und die Stellbewegung des Steuerelements auslöst. Auf diese Weise wird in der Steuerung ein geringer Null- oder Totpunkt geschaffen.
- Mit den in den Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen wird demgemäss ein einfach wirkender oder ein doppeltwirkender, elektrisch steuerbarer und druckmittelbetätigter Servoantrieb mit Nachlaufsteuerung geschaffen, bei welchem das einzige Element, welches aus der Druckkammer herausgeführt ist, der Schaft O ist. Die Position dieses Stellorgans lässt sich mit Hilfe eines analogen elektrischen Stroms in der Proportionalmagnetvorrichtung leicht steuern. Die Magnetspulen erzeugen einen magnetischen Kraftfluss, unter dessen Wirkung sich das vollständig im Gehäuse befindliche Steuerelement gegenüber Einlass- und Auslasskanälen verstellt, die eine Steuerdruckkammer mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbinden. Durch Verstellung des Steuerelementes gegenüber diesen Ein- und Auslasskanälen wird der Druckabfall zwischen den Kanälen und der Steuerdruckkammer verändert. Der Differentialkolben wird unter der Wirkung der an ihm wirkenden Differentialdrücke so gesteuert, dass er der Stellbewegung des Steuerelements genau folgt. Der Kolben wird dann unabhängig von etwaigen Änderungen der an dem Ausgangsschaft wirkenden äusseren Kräfte exakt in seiner Position gehalten.
- Fig. 6 zeigt den elektrohydraulischen Servoantrieb nach Fig. 5 in Verbindung mit einem ferngesteuerten Schieberventil. Letzteres umfasst ein kombiniertes Ventil- und Kolbengehäuse A, ein die Steuerdruckkammer bildendes Gehäuse B, einen Stellkolben N, welcher den Schieber D des Ventils betätigt, einen Hochdruckkolben L, einen Schaft K, ein Steuerelement F und ein Paar Magnetspulen S, S', mit denen das Steuerelement F wahlweise nach rechts oder nach links verstellt und damit über den Stellkolben N der Schieber D nach rechts oder nach links verschoben werden kann.
- Das Gehäuse A weist einen länglichen Zylinderraum 610 mit der zylindrischen Innenwand 611 auf, an welcher sich der Stellkolben N führt, sowie mehrere mit Einlässen versehene, über Dichtstege getrennte Gehäusekammern, und zwar von rechts nach links: eine Niederdruckkammer 613, einen schmalen Gehäusesteg 614, eine Auslass-Einlasskammer 615, einen breiten Gehäusesteg 616, eine Einlass-Druckkammer 617, einen breiten Gehäusesteg 618, eine Einlass-Auslasskammer 619, einen schmalen Gehäusesteg 620 und eine Niederdruckkammer 621. Die Kammern weisen sämtlich dieselbe axiale Breite auf, während die breiten Gehäusestege die doppelte Breite haben wie die schmalen Gehäusestege. In Verbindung mit der Niederdruckkammer 621 steht eine Zylinderkammer 625, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der verschiedenen Gehäusestege und der Kammer 610. Das linke Ende der Kammer 615 ist von einer Stopfenschraube 628 unter Einschaltung einer O-Ringdichtung 629 verschlossen. Ein Innenkanal 633 verbindet die Niederdruckkammern 621 und 613. Die Kammer 613 weist eine Einlassöffnung 634 mit einem Innengewinde für den Anschluss einer Leitungsarmatur auf. Über die Öffnung 634 ist die Kammer 613 normalerweise mit der Niederdruckseite bzw. dem Rücklauf oder einem Sumpf od. dgl. verbunden.
- Die Kammer 615 weist eine Gehäuseöffnung 640 mit einem Innengewinde für eine Anschlussarmatur auf, über welche die Verbindung mit einer zu betätigenden Druckmittelvorrichtung hergestellt wird. Die Einlasskammer 617 ist mit einer Einlassöffnung 642 mit Innengewinde für eine Anschlussarmatur versehen und wird mit einer Druckquelle verbunden, die ein Hochdruckmedium mit konstantem Volumen liefert. Die Kammer 619 weist einen Anschluss 644 mit Innengewinde für eine Anschlussarmatur auf und wird über diesen Anschluss mit dem anderen Anschluss der druckmittelbetätigten Vorrichtung verbunden.
- Der Schieber D weist ein Paar zylindrischer Schieberkolben 650 und 651 auf, deren Axialabstand yleich dem Abstand der beiden Einlass-Auslass-Druckkammern und einer Länge entsprechend der Breite der Kammern zuzüglich der Breite eines breiten Gehäusesteges ist. Der Schieberkolben 650 steht entweder mit dem Gehäusesteg 614 oder mit dem Gehäusesteg 616 in Kontakt, während der Schieberkolben 651 entweder an dem Gehäusesteg 618 oder am Gehäusesteg 620 anliegt. Die Kolben 650 und 651 weisen jeweils ein Paar konischer, gedrosselter Kanäle 654, 655 an jedem Ende auf, die sich in Richtung auf das Kolbenende vertiefen, um einen ständigen Einlassdruck und einen begrenzten Druckmitteldurchfluss von z. B. 113 i/min, durch das Ventil aufrechtzuerhalten. Der Einlassdruck ändert sich innerhalb weiter Grenzen, wenn die Last an der gesteuerten Vorrichtung sich ändert. Die Nuten 654 und 655 sind in Fig. 6 an dem Kolben 650 im Querschnitt und an dem Kolben 651 in Draufsicht dargestellt.
- Der Hochdruckkolben L ist einstückig mit dem linken Ende des Schiebers D verbunden und gleitet in Dichtanlage an der Wandung der Kammer 625. Er bildet in dieser Kammer eine Hochdruckkammer 661, die links durch den Schraubstopfen 628 verschlossen ist. Der Schieber weist einen im Durchmesser verjüngten Schaft 662 auf, welcher einen Druckmittelkanal bildet, der die Kammer 619 mit der Niederdruckseite verbindet, wenn der Schieber D nach rechts verschoben wird. In gleicher Weise ist der Schieber D mit einem im Durchmesser verjüngten Schieberteil 665 versehen, welches einen mit dem Gehäuseraum 610 in Verbindung stehenden Kanal 666 bildet, über den bei Bewegung des Schiebers D nach links die Kammern 615 und 616 verbunden werden. Schliesslich weist der Schieber ein die Kolben 650 und 651 verbindendes, im Durchmesser verjüngtes Schaftteil 657 mit einem diametralen Querkanal 656 auf, über welchen der Einlassdruck in der Kammer 617 mit einem Axialkanal 658 in Verbindung steht, der sich längs durch den Schieber D erstreckt und eine Verbindung einerseits zu der Hochdruckkammer 661 und andererseits zu der rechten Seite des Schiebers D herstellt.
- Der Kolben N ist vorzugsweise einstückig mit dem Schieber D verbunden; er weist mehrere im Axialabstand angeordnete umlaufende Druckausgleichsnuten 670 und eine diese schneidende axial verlaufende Nut 671 auf, die sich von der linken Kolbenfläche 672 zur rechten Kolbenfläche 673 erstreckt. Die sich schneidenden Nuten 671, 670 bilden eine Vielzahl rechtwinkliger Drosselstellen und im Zusammenwirken einen Drosselkanal, der sich von der Steuerdruckkammer zu der Niederdruckkammer hin erstreckt, wie dies im einzelnen im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7 und 8 noch beschrieben wird.
- Der Schaft K ist in der im Zusammenhang mit Fig. beschriebenen Weise mit dem Kolben N verbunden. Da die Steuerdruckkammer mit der Niederdruckseite hier über die Drossel 671 verbunden ist, braucht hier in dem Schaft K nur ein einziger Hochdruck-Verbindungskanal 675 vorgesehen zu werden. Dieser Kanal 675 erstreckt sich axial durch den Schaft K hindurch bis zu einem Verschlussstopfen 676 am rechten Ende desselben. Eine Nut 678 an der Aussenfläche 679 des Schaftes K ist über radial gebohrte Öffnungen 680 mit dem axialen Druckmittelkanal 675 verbunden. Die Nut 678 weist radial stehende Flanken 678' und 678" auf.
- Das Steuerelement F entspricht im wesentlichen dem Steuerelement C' der Fig. 5. Es weist hier eine Umfangsnut 681 an seiner Innenfläche auf, die über Querkanäle 683 mit einer Längsnut 682 an der Aussenseite des Steuerelementes in Verbindung steht, so dass das Hochdruckmedium in der Einlasskammer 617 über die Öffnungen 656, den Axialkanal 658, den Axialkanal 675, die Radialkanäle 680, die Nut 678, die Nut 681, den Radialkanal 683 und die Nut 682 mit der Steuerdruckkammer verbunden ist.
- Die Nut 678 ist hier so angeordnet, dass ihre rechte Nutflanke 678" und die linke Flanke der Nut 681 sich geringfügig übergreifen, wenn sich das Steuerelement F in seiner dargestellten Mittellage befindet, bei der die Magnetspulen S und S' nicht erregt sind. Das Mass der Überlappung dieser Nuten ist abhängig von der Drosselung in der zum Auslass führenden Nut 671 und dem Spalt f (Fig. 3). Der Kolben N bewegt die Nuten relativ zueinander, so dass der Durchfluss durch diese Nuten gleich dem Durchfluss durch die Nut 671 ist.
- Der über den Kanal 658 in der Hochdruckkammer 661 wirkende Hochdruck wirkt auf die rechte Kolbenfläche 660 des Hochdruckkolbens L. Die veränderlichen Drücke in der Steuerdruckkammer wirken auf die linke Kolbenfläche des Kolbens N. Der Kolben N bewegt die Nut 678 relativ zu der Nut 681 im Sinne eines Öffnens oder Schliessens der Verbindung des Kanals 675 gegenüber der zu der Niederdruckseite führenden Verbindung, bis die Druckkräfte am Kolben N und am Kolben L des Ventilschiebers D im Gleichgewicht stehen.
- Bei Erregung der Magnetspule S bewegt sich das Steuerelement F nach rechts, wodurch der Druck in der Steuerdruckkammer die Tendenz hat, sich zu verringern. Der Kolben N und der Schieber D folgen dem Steuerelement F und halten diesen Druck konstant. Bei dieser Bewegung des Schiebers D wird die Druckmittelverbindung zu der Gehäuseöffnung 640 hergestellt. Wird andererseits die Magnetspule S' erregt, so verschiebt sich das Steuerelement F nach links, wobei der Kolben N und der Schieber D ebenfalls eine Bewegung nach links ausführen, so dass die Druckmittelverbindung zu der Gehäuseöffnung 644 hergestellt wird. Druckänderungen in der Einlassöffnung 642 erzeugen proportionale Druckänderungen in den Hochdruck- und Steuerdruckkammern und beeinträchtigen daher nicht den Kraftausgleich am Kolben N und am Schieber D.
- Bei einem Ausfall der elektrischen Stromversorgung stellt sich das Steuerelement F wieder in die neutrale Mittellage gemäss Fig. 6 zurück, wodurch auch der Schieber D automatisch in seine neutrale Mittellage zurückkehrt.
- Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Federn 95 und 95' so ausgebildet, dass ihre freie, unbelastete Länge grösser ist als die Einbaulänge innerhalb der Steuervorrichtung. Die Federn üben daher über ihre Stützringe eine Anfangsvorspannkraft auf die beiden Enden des Steuerelements F aus. Um das Steuerelement F gegen diese Feder-Vorspannkraft zu verstellen, muss daher der Potentiometerarm gemäss Fig. 5A über einen kleinen Stellweg verstellt werden, um eine der beiden Magnetspulen stärker als die andere zu erregen, bevor die Stellbewegung des Steuerelementes einsetzt. Die Bedienungsperson hat daher einen geringfügigen Totweg in der Handsteuerung, bevor über das Steuerelement F der Schieber D zur Steuerung eines Motors oder Kolbens geschaltet wird.
- Bei dem vorstehend beschriebenen Ventil handelt es sich um ein Zweiwegeventil, welches sich mittels eines analogen elektrischen Stroms fernsteuern lässt und welches eine sehr präzise Verstellung des Schiebers und demgemäss eine genaue Steuerung der Vorrichtung, die durch das Schieberventil gesteuert wird, zulässt.
- In Fig. 7 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung in Verbindung mit einem Druckentlastungs- oder Überdruckventil der Differentialkolbenbauart dargestellt. Dieses Ventil besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse T, einem die Steuerdruckkammer bildenden Steuergehäuse U, einem Ventilkolben V, einem Stellkolben W, einem Schaft X, einem magnetisch betätigten Steuerelement Y in Gestalt einer Hülse und einer Magnetspule S, die mit einer einstellbaren Stromquelle verbindbar ist, um das Steuerelement je nach dem Erregerstrom in die unterschiedlichen Einstellpositionen innerhalb des Gehäuses U zu bringen.
- Das Gehäuse T wird von einem Block aus Stahl, Aluminium oder einem anderen hochfesten Werkstoff gebildet und weist einen länglichen Zylinderraum 710 auf, in welchem der Stellkolben W gleitet, in welchem seinerseits der Ventilkolben V verschiebbar gelagert ist. Das Gehäuse U entspricht dem Gehäuseteil M der Fig. 1. Es weist eine Gehäusekammer 717 auf, die koaxial zu und in Verbindung mit dem Gehäuseraum 710 angeordnet ist und eine zylindrische Innenwand 716 hat. Die linke Seite des magnetisch wirksamen Teils 740 bildet eine Fläche 716, welche als rechter Anschlag für den Kolben W dient. Das linke Ende des Gehäuseraums 710 ist bei 720 gegengebohrt, wobei die Schulter 721 einen linken Anschlag für den hubbeweglichen Kolben W bildet. Die axiale Länge des Kolbens W ist um die Strecke d kleiner als der Abstand der beiden genannten Anschläge.
- Am linken Ende des Gehäuses T ist in der Achse des Gehäuseraumes 710 eine Einlassöffnung 724 vorgesehen, in der ein Ventilsitzglied 725 sitzt, welches einen in der Einlassöffnung liegenden, durch eine O-Ringdichtung abgedichteten, zylindrischen Ansatz 726 aufweist. Die den Hochdruckanschluss bildende Öffnung 724 ist mit einem Innengewinde für eine geeignete Anschlussarmatur versehen. Das rechte Ende des Ventilsitzgliedes 725 weist eine konische Ventilsitzfläche 731 auf, die eine Einlassöffnung 732 des zylindrischen Ansatzes 726 umschliesst und gegen die sich im Schliesszustand des Ventils eine Ventilsitzanlagefläche 734 am linken Ende des Ventilkolbens V legt. Die Ventilsitzanlagefläche 734 legt sich tangential gegen die konische Ventilsitzfläche 731 auf einem Kreis 735, dessen Durchmesser a von dem Krümmungsradius der Fläche 734 und dem Konuswinkel der Fläche 731 bestimmt ist. Die Abmessungsverhältnisse sind so gewählt, dass der Durchmesser a mindestens grösser ist als der Durchmesser des gegenüberliegenden Endes des Ventilkolbens V, welches vom Hochdruck beaufschlagt ist, und der Durchmesser des Teils 726 des Ventilsitzgliedes 725. Der Kreis 735 umschliesst eine Fläche, gegen welche das in der Einlassöffnung stehende Druckmedium eine nach rechts gerichtete Kraft ausübt, die gleich dem Druck des Druckmediums, multipliziert mit der Grösse dieser linken Fläche, ist.
- In der Nähe des Ventilsitzgliedes 725, d.h. unmittelbar hinter diesem, ist am Gehäuse ein Gehäuseauslass 740 mit einem Innengewinde für eine Anschlussarmatur angeordnet, die mit der von der Gegenbohrung 720 gebildeten Kammer in Verbindung steht. Normalerweise ist der Druck an dieser Gehäuseöffnung 740 Null. Wenn sich der Ventilkolben V nach rechts bewegt und damit seine Ventilsitzanlagefläche 734 von der Ventilsitzfläche 731 abhebt, strömt das Druckmedium von der Einlassöffnung an der Ventilsitzfläche 731 vorbei zu dem Gehäuseauslass 740, der den Niederdruckanschluss bildet.
- Der Stellkolben W weist einen solchen Aussendurchmesser auf, dass er in Dichtanlage mit der zylindrischen Innenwand des Gehäuseraumes 710 gleitet. Er ist mit mehreren im wesentlichen rechteckigen, umlaufenden Druckausgleichsnuten 750 versehen, wie dies an sich bekannt ist. Ausserdem ist an der Aussenfläche des Kolbens eine axial verlaufende rechteckige Nut 752 vorgesehen, welche die Umfangsnuten 750 schneidet und eine Verbindung zwischen der auf der rechten Seite liegenden Kammer 717 und der auf der linken Seite liegenden Kammer 710 herstellt, die ihrerseits mit dem Gehäuseauslass 740 verbunden ist. Die Schnittstellen der Nut 750 und 752 bewirken einen Drosselkanal in der Verbindung zwischen der Kammer 717 und dem Gehäuseauslass 740 mittels mehrerer scharfkantiger Drosselstellen, so dass der Druckabfall des den Drosselkanal durchströmenden Druckmediums, weitgehend unabhängig von dessen Viskosität, proportional der Quadratwurzel der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Steuerdruckkammer 717 und der von dem Gehäuseauslass 740 gebildeten Niederdruckseite ist. Die Abmessungen der Nut 752 sind vorzugsweise so gewählt, dass der Leckstrom etwa in der Grössenordnung von 4 bis 16,5 cm3/min. bei Maximaldruck am Ventil beträgt. In der Praxis haben die Umfangsnuten 750 angenähert Abmessungen von 0,5 mm Breite und 0,5 mm Tiefe. Die den Leckstrom führende Nut 752 hat Abmessungen von etwa 0,75 mm Breite und 0,5 mm Tiefe. Es versteht sich, dass diese Abmessungsverhältnisse schwanken können, um die gewünschten Durchflussmengen und den gewünschten Druckausgleich zu erzielen.
- Der Kolben W ist mit einer inneren zylindrischen Kolbenkammer 765 versehen, in welcher das rechte Ende 766 des Ventilkolbens V verschiebbar geführt und mittels einer O-Ringdichtung 767 abgedichtet ist. In Nähe des linken Endes des Ventilkolbens V befindet sich ein Radialflansch 769, der in Gleitanlage mit der zylindrischen Innenwand der Gegenbohrung 720 des Gehäuseraumes 710 steht und der mit Axialnuten 771 für den Durchtritt des Druckmediums versehen ist.
- Das linke Ende des Kolbens W ist zur Bildung einer Schulter 772 und eines Kolbenraumes 773 für die Aufnahme einer Ventilfeder 774 gegengebohrt. Die Feder 774 stützt sich einerseits gegen die Schulter 772 und andererseits gegen den Flansch 769 ab. Die Feder 774 ist das Hauptdrucksteuerorgan; sie belastet den Ventilkolben V in Schliessrichtung des Ventilgliedes und den Kolben W in Gegenrichtung.
- Der Ventilkolben V ist mit einem Axialkanal 779 versehen, welcher den Hochdruck in der Einlassöffnung 724 mit der auf der rechten Seite des Ventilkolbens V liegenden Kolbenkammer 765 verbindet. Das Hochdruckmedium in der Kolbenkammer 765 wirkt über den Spalt zwischen dem Kolbenteil 766 und der Innenwand der Kolbenkammer 765 gegen die linke Seite des O-Ringes 767. Das Druckmedium hat daher die Tendenz, den O-Ring 767 in Richtung nach links, d.h. in Richtung auf den Ventilsitz 731, zusammenzudrükken. Für die Erfindung wichtig ist, dass die Querschnittsfläche des Kolbenschaftes 766 kleiner ist als die Querschnittsfläche der von dem Kreis 735 umschlossenen Fläche, wobei die Flächendifferenz so ausgelegt ist, dass die Drücke in der Einlassöffnung 724 bestrebt sind, den Kolben V nach rechts zu drücken. Diesen Drücken entgegen wirkt die Druckfeder 744, die durch den im Durchmesser grösseren Stellkolben W in ihrer Federspannung veränderlich einstellbar ist.
- Diese Einstellung der Druckkraft der Feder 774 erfolgt über ein elektrisches analoges Fernsteuersignal. Der Schaft X ragt von dem Kolben W koaxial in die Steuerdruckkammer 717. Der hier als Steuerkolben dienende Stellkolben W und der Schaft X sind mit einem durchgehenden Axialkanal 780 versehen, der am linken Ende mit der Kolbenkammer 765 und am rechten Ende mit einem Querkanal 782 (Fig. 7A) verbunden ist. Der Kanal 782 mündet in eine zylindrische Nut 783 an der Aussenfläche 784 des Schaftes X. Die Kanäle 782, 780 und 779 bilden in Abwesenheit des Steuerelementes Y eine ungedrosselte Verbindung zwischen dem Innenraum 717 des Gehäuses U und dem unter Druck stehenden Gehäuseeinlass. Der Druck in der Kammer 717 übt eine Kraft auf den Kolben W nach links aus, die gleich der Kolbenfläche des Kolbens W abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenkammer 765 ist.
- Das Steuerelement Y entspricht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1. Es weist an seiner Innenfläche eine langgestreckte, umlaufende Nut 790 auf, die über einen Querkanal 792 mit einer Längsnut 791 an der Aussenfläche verbunden ist. Wie Fig.7A zeigt, befindet sich die linke Flanke 793 der Steuernut 790 in einem Abstand von dem linken Ende des Steuerelements Y, der mindestens gleich der grösstmöglichen Bewegungsstrecke des Steuerelementes nach rechts entspricht, so dass sie die Nut 783 überlappt, wenn bei nicht beaufschlagtem Kolben W sich dieser in der dargestellten rechten Endlage befindet, wobei das Mass der Überlappung der Nut 783 mit z.B. 0,12 mm verhältnismässig gering ist, wenn der Kolben W unter der Wirkung des Drucks in der Druckkammer 717 seinen vollen Kolbenweg nach links ausgeführt hat. Während die meisten hier beschriebenen Vorrichtungen ein Flächenverhältnis der Steuerkolbenfläche zu der Hochdruckkolbenfläche (Differentialflächenverhältnis) von etwa 2 : 1 aufweisen, brauchen federbelastete Ventile, wie Überdruckventile, Druckreduzierventile, Folgeventile u. dgl., eine vor Betätigung eingestellte Federkraft. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist die Netto-Steuerdruckfläche um 7,5mal grösser als die Nettofläche des Steuerkolbens, der dem Systemdruck ausgesetzt ist. Das Steuerelement Y wird von der Feder 795 ständig nach links gedrückt. Es besteht daher normalerweise ein teilweise gedrosselter Druckmittelfluss in die Kammer 717 und ein voll gedrosselter Druckmitteldruck aus der Kammer 717.
- Im Betrieb erzeugt der an der Einlassöffnung 724 wirkende Hochdruck eine nach rechts gerichtete Kraft gegen die von dem Umkreis 735 des Ventilschliessgliedes definierte Fläche. Zugleich wird der Hochdruck über den Kanal 779 in die Kolbenkammer 765 übertragen, wo er gegen das Ende 796 des Ventilkolbens V wirkt. Da die Fläche 796 kleiner ist als die von dem Kreis 735 eingeschlossene Fläche, versuchen diese Kräfte, den Ventilkolben V nach rechts zu verschieben. Die Feder 774 drückt den Ventilkolben V mit einer Kraft in Schliessrichtung, die abhängig ist von ihrer Federcharakteristik und dem Mass ihrer Vorspannung. Wenn die am Ventilkolben V wirkenden Differenzdruckkräfte die Federkraft übersteigen, öffnet der Ventilkolben V, wodurch eine gedrosselte Verbindung zwischen Einlass 724 und Auslass 740 hergestellt wird.
- Der Einlassdruck wird ausserdem über die Kanäle 779, 780, 782, die Nuten 783, 790, den Kanal 792 und die Nut 791 in die Steuerdruckkammer 717 übertragen. Dieser Druck baut sich dann über die Drosselnut 752 und die Nut 771 zu dem Auslass 740 hin ab. Mit steigendem Einlassdruck erhöht sich der Druck in der Steuerdruckkammer 717. Der auf der rechten Kolbenseite von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Stellkolben W verschiebt sich nach links und drückt die Feder 774 zusammen, wodurch die Schliesskraft des Ventils, d.h. der Einlassdruck, bei dem sich der Ventilkolben V vom Ventilsitz abhebt, erhöht. Die Schulter 721 begrenzt die Stellbewegung des Kolbens W nach links und bestimmt damit das Mass, um welches sich die Feder 774 durch den Stellkolben zusammendrücken lässt. In Abhängigkeit von der Charakteristik der Feder 774 wird auf diese Weise der maximale Ansprechdruck des Ventils bestimmt. Bei Erregung der Magnetspule S verschiebt der Magnetfluss das Steuerelement Y nach rechts gegen die Kraft der Feder 795. In Abhängigkeit von der Erregung der Magnetspule S nimmt das Steuerelement Y unterschiedliche Positionen ein. Bei der Bewegung des Steuerelements Y nach rechts drosselt es den Ausfluss des Druckmediums aus der Nut 783, so dass die Menge des der Steuerdruckkammer 717 zuströmenden Druckmediums kleiner wird als die Menge des aus der Steuerdruckkammer 717 über die Kanäle 752, 771 abfliessenden Druckmediums. Der Stellkolben W bewegt sich daher unter der Kraft der Feder 774 nach rechts. Hierbei vermindert sich die Spannung der Feder 774 und damit der Druck, bei welchem sich der Ventilkolben V unter dem Differentialdruck vom Ventilsitz abhebt.
- Bei dem vorstehend beschriebenen Ventil lässt sich daher der Ansprechdruck, bei welchem das Ventil öffnet, über ein analoges elektrisches Signal steuern, welches über eine elektrische Leitungsverbindung von irgendeiner entfernt liegenden Stelle übertragen wird. Durch Einstellung des Steuerelementes Y wird die Spannung der Feder 774 innerhalb der gegebenen Grenzen verstellt, wodurch sich in Abhängigkeit von der Federkonstante der Feder 774 und dem maximalen Hub des Kolbens W der Ansprechdruck zwischen einem maximalen Betriebswert und einem tiefer liegenden Wert einstellen lässt.
- Zusätzlich werden mit einem solchen Ventil noch eine Reihe weiterer Vorteile erhalten. Im Gegensatz zu bekannten Ventilen ist bei dem erfindungsgemässen Ventil der Durchmesser des O-Ringes 767 kleiner als der Durchmesser des Kreises 735 der Ventilsitzfläche. Infolgedessen ist die Fläche, gegen welche der O-Ring 767 abdichtet, kleiner, wodurch auch die Reibung vermindert und die Ansprechempfindlichkeit des Ventilkolbens V bei Druckschwankungen erhöht wird.
- Im Gegensatz zu bekannten Differentialdruckventilen wirkt bei dem erfindungsgemässen Ventil ausserdem der Druck an dem O-Ring 767 stets in Richtung auf den Ventilsitz. Dieser sehr hohe Druck ist bestrebt, Teile des O-Ringes in den Spalt zwischen den abzudichtenden Flächen zu drükken. Die Schliessbewegung des Ventilkolbens V hat daher die Tendenz, den O-Ring 767 wieder aus dem Spalt herauszuführen, wodurch sich der Ventilkolben mit verminderter Reibung in die Schliesslage zurückstellen kann. Die Neigung des Ventils, schon bei Drücken unmittelbar unterhalb des Ansprechdruckes Druckmittel abzulassen, wird daher unterdrückt und es wird zugleich erreicht, dass sich das Ventil nach dem Ansprechen schon unter einer kleineren Druckdifferenz schliesst.
- Beim Öffnen des Ventilkolbens V stellt sich durch das über den Einlass 724 zufliessende Druckmittel eine Strahlwirkung an dem Ventilkolben ein, welcher den raschen Öffnungsvorgang des Ventils unterstützt und dazu beiträgt, dass das Ventil mit einer extrem flachen Druck-Mengenkurve arbeitet.
- Die Drosselnut 772, welche die Umfangsnut 750 unter Bildung von rechteckigen Drosselkanten schneidet, ist für die Verwirklichung der Drosselverbindung der Steuerdruckkammer mit dem Auslass besonders vorteilhaft. Statt dessen können für diese Verbindung aber auch andere Drosselkanäle vorgesehen werden. Bei Verwendung der Drosselverbindung 752, 750 ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Durchflussmenge unmittelbar proportional der Quadratwurzel des Drucks und zugleich weitgehend unabhängig von der Viskosität des Druckmittels ist.
- Bei Ausfall der elektrischen Stromversorgung verschiebt die Feder 795 das Steuerelement Y nach links mit der Folge, dass sich auch der Stellkolben W nach links verschiebt und dabei die Feder 774 zusammendrückt. Der Kolben W legt sich hierbei gegen den von der Schulter 721 gebildeten Anschlag, so dass bei Stromausfall das Ventil auf den grösstmöglichen Ansprechdruck eingestellt wird. Eine Verminderung des Ansprechdruckes des Ventils bei Stromausfall würde in vielen Fällen zu erheblichen Betriebsgefährdungen führen.
- Die gewölbte Ventilsitzanlagefläche 734 in Verbindung mit der konischen Ventilsitzfläche verbessert die Strömungscharakteristik des Ventils. Diese Formgestaltung der Flächen bewirkt, dass der Einfluss der Wirbelströme beim Öffnen des Ventils vollständig unterdrückt wird, so dass sich eine erheblich flachere Druck-Mengenkurve ergibt. Dieser Vorteil findet seine Erklärung darin, dass sich die Wirbel beim Öffnen des Ventils einerseits bei einem kleineren Durchmesser als dem Durchmesser des Kreises 735 (Ventilsitzdurchmesser) und andererseits bei einem gegenüber diesem grösseren Durchmesser bilden. Die Wirbelbildung im Inneren des wirklichen Ventilsitzes vollzieht sich in einem Bereich des Kolbens, der gegenüber dem Einlassdruck unter einem kleineren Druck steht. Sofern dieser Wirbelbildung nicht entgegengewirkt würde, so würde sich eine ansteigende Druck-Mengencharakteristik des Ventils ergeben. Da aber hier Flächen vorhanden sind, die einen grösseren Durchmesser haben als der wirkliche Ventilsitz und an denen sich eine dynamische Wirbelbildung ohne statische Dichtwirkung einstellt, ergibt sich insgesamt eine flache Druck-Mengenkurve.
- In den Fig. 8 und 8A ist eine Vorrichtung gezeigt, bei welcher der Servoantrieb zur Steuerung eines Durchflussregelventiles verwendet wird, bei dem der Druck am Ventilauslass auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden muss. Das nach Art eines Differentialkolbenventils ausgebildete Ventil umfasst im wesentlichen ein Kolben- und Ventilgehäuse T1, ein die Steuerdruckkammer bildendes Steuergehäuse G, einen Stell- oder Ventilkolben I, einen Schaft J als Steuerkanalelement, ein magnetisch verstellbares Steuerelement K und eine Magnetspule S, durch deren Erregung sich das Steuerelement K in dem Gehäuse T1 in verschiedene Positionen einstellen lässt.
- Das Gehäuse T1 besteht auch hier aus einem Block aus Stahl, Aluminium oder einem sonstigen hochfesten Werkstoff, der einen Zylinderraum 810 aufweist, in welcher der Kolben I gleitet. Der Zylinderraum 810 ist am rechten Ende gegengebohrt und mit einem Innengewinde versehen, in welches das Gewindeende 811 des Steuergehäuses G eingeschraubt ist. Am linken Ende weist der Zylinderraum 810 eine Gegenbohrung 812, die eine Auslassdruckkammer bildet, und eine sich daran anschliessende Gegenbohrung 813 auf, die einen Ventileinlasskanal bzw. den Hochdruckanschluss bildet und mit einem Gewinde 814 für eine Anschlussarmatur versehen ist. In der Gegenbohrung 813 ist ein von einem O-Ring 815 abgedichtetes Ventilsitzglied 814 angeordnet, welches einen in die kleinere Gegenbohrung 812 einfassenden Lagerflansch 816 aufweist. Das Ventilsitzglied 814 wird durch einen Sprengring 817 festgelegt, der in eine Nut an der Innenwand der Gegenbohrung 813 eingesetzt ist. Das Ventilsitzglied 814 hat im wesentlichen die Form eines zur rechten Seite hin offenen Topfstückes, dessen Aussenkante einen kreisförmigen Ventilsitz 820 bildet. Mehrere Kanäle 821 verbinden den Innenraum des Topfstückes mit der Einlassseite. Das Ventilsitzglied 814 besteht aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff, so dass es etwaige in dem Druckmedium befindliche magnetische Schmutzteilchen auffangen kann.
- Unmittelbar rechts neben dem Ventilsitzglied 814 weist die Gegenbohrung 812 einen Auslasskanal 830 mit einem Innengewinde für eine Anschlussarmatur auf. Normalerweise steht die von der Gegenbohrung 812 gebildete Kammer unter einem niedrigen Druck, dessen Druckhöhe von dem Ventil bestimmt wird.
- Das Steuergehäuse G entspricht dem Gehäuse M der Fig. 1. Seine linke Stirnfläche bildet einen rechtsseitigen Anschlag für den Kolben I. Der Kolben I besteht aus einem in dem Gehäuseraum 810 dichtend gleitenden zylindrischen Kolbenkörper, der in bekannter Weise mit einer grösseren Anzahl von im Axialabstand zueinander angeordneten Umfangs-Druckausgleichsnuten 841 versehen ist. Am linken Ende des Kolbens befindet sich ein Schliessglied 844 mit einer Ventilsitzanlagefläche 845, die sich nach links progressiv abnehmend konisch verjüngt, so dass sich eine konkave Konusfläche ergibt. Bei Bewegung der Ventilsitzanlagefläche 845 nach rechts ändert sich daher der Ventilöffnungsquerschnitt in bezug auf den Linearhub des Ventilsitzgliedes nach einer abfallenden, nicht-linearen Beziehung. Die Formgebung der Ventilsitzanlagefläche 845 kann für eine bestimmte druckmittelbetätigte Vorrichtung so getroffen werden, dass Leckageschwankungen dieser Vorrichtungen insbesondere bei niedriger Geschwindigkeit und bei temperaturbedingter Verminderung der Viskosität des Druckmediums kompensiert werden.
- Der Durchmesser des Ventilsitzes 820 ist kleiner als der Kolbendurchmesser. Das den Kolben I von links beaufschlagende Druckmedium übt auf den Kolben eine Kraft aus, die gleich der Querschnittsfläche des Ventilsitzes 820, multipliziert mit dem Druck, ist.
- Der Schaft J besteht aus einer zylindrischen Stange, die sich von der rechten Kolbenseite 851 nach rechts erstreckt und die an ihrer zylindrischen Aussenfläche 853 eine umlaufende Nut 855 aufweist, die im Axialabstand von der Kolbenfläche 851 an dem Schaft J angeordnet ist.
- Das Steuerelement K entspricht im wesentlichen dem Steuerelement C nach Fig. 1. Die Nut 855 und eine Nut 890 an der Innenwand des Steuerelementes K sind in Axialrichtung so zueinander angeordnet, dass sich die Nuten um ein kleines Mass von z.B. 0,13 mm überschneiden, wenn sich das Steuerelement K in der dargestellten äussersten linken Position und die Ventilsitzanlagefläche 845 in Anlage an dem Ventilsitz 820 befindet.
- Der Kolben I und der Schaft J weisen einen durchgehenden axialen Druckmittelkanal 880 auf, der auf der linken Seite mit dem Einlass 813 und auf der rechten Seite mit einem Querkanal 882 verbunden ist, welcher in die Nut 855 mündet. Die Kanäle 880, 882 und die Nuten 855, 890 sowie weitere vorgenannte Kanäle verbinden die Hochdruckseite am Einlass 813 mit der Steuerdruckkammer. Der Hochdruck wirkt auf die rechte Endfläche des Schaftes J sowie auf die ringförmige Kolbenfläche 851. Die Gesamtfläche dieser beiden Kolbenflächen ist grösser als die Fläche des Ventilsitzes 820. Infolgedessen wird der Kolben I gegen die Druckbeaufschlagung an seiner Fläche 844 in Schliessstellung gedrückt.
- Der Kolbenteil 840 des Kolbens I bildet einen gedrosselten Verbindungskanal zwischen der Steuerdruckkammer und dem Auslass bzw. der Niederdruckkammer 812. Diese Drosselverbindung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Längsnut 850 an der Fläche des Kolbens I gebildet, welche die Nuten 841 unter Ausbildung rechtwinkliger Steuerkanten schneidet und die rechte Kolbenseite mit der linken Kolbenseite und der hier befindlichen Kammer 812 verbindet.
- Bei Erregung der Magnetspule S bewegt sich das Steuerelement K gegen die Rückstellkraft der Feder 895 nach rechts, wodurch die Verbindung der Nuten 855, 890 gedrosselt und in der Steuerdruckkammer 810 ein Druckabfall erzeugt wird. Erreicht der Druckabfall einen Wert, bei welchem die den Kolben I nach links verstellenden Kräfte kleiner sind als die nach rechts wirkenden Kräfte an der Ventilsitzanlagefläche 845, so verschiebt sich der Kolben I nach rechts, wodurch sich die Ventilsitzanlagefläche 845 von dem Ventilsitz 820 abhebt. Das Hochdruckmedium kann nun über die Ventilöffnung zum Auslass 830 und von hier zu einer druckmittelbetätigten Vorrichtung strömen.
- Bei einem vorgegebenen Öffnungsweg des Ventils ändert sich der Druckmittelstrom und damit auch der Druckabfall mit der Viskosität des die Ventilöffnung durchströmenden Druckmediums. Bei manchen hydraulischen Druckmedien, wie insbesondere ÖI, kann sich die Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur in verhältnismässig weiten Grenzen ändern. Bei dem erfindungsgemässen Ventil werden solche Änderungen in der Viskosität des Öls, z. B. in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 82 °C, automatisch kompensiert.
- Die Magnetspule S und ihr Magnetkreis sind so ausgebildet, dass sich das Steuerelement K mit verhältnismässig geringen elektrischen Strömen, z.B. unter 6 W, verstellen lässt. Die bei diesen Strömen entstehende Wärme ist minimal. Das Ventil ist so ausgebildet, dass die Magnetspule S im wesentlichen auf derselben Temperatur wie das Druckmedium gehalten wird, welches durch das Ventil gesteuert wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, dass die Wärme des Druckmediums auf die Magnetspule übertragen und letztere zugleich mit einer Wärmeisolierung versehen wird, um ein Abkühlen der Magnetspule zu vermeiden. Die Isolierung kann durch einen Luftspalt oder Luftmantel oder aber durch eine nicht-metallische Isolierschicht 896 bewirkt werden. Ändert sich die Temperatur, mit der das Druckmedium in den Einlass 813 gelangt, so wird aufgrund der Wärmeübertragung über das Metall des Kolbengehäuses R und das Metall des Steuerdruckgehäuses G die Temperatur der Magnetspule S entsprechend verändert. Die Temperatur der Magnetspule S wird durch die Temperatur des Druckmediums stärker beeinflusst als durch die Stromwärme.
- Die Magnetspule S besteht z.B. aus 1400 Kupferdrahtwindungen mit einem Widerstand bei 20°C von etwa 24 m, der mit der Temperatur ansteigt. Bei einer festen Erregerspannung an der Magnetspule S vermindert sich daher bei zunehmender Spulentemperatur der Stromfluss und damit auch der Magnetfluss. Daraus folgt, dass sich das Steuerelement K nach links verstellt, was zu einer Bewegung des Ventilschliessgliedes in Schliessrichtung führt. Erhält die Magnetspule S erheblich grössere Wärmemengen aus der Wärme des Druckmediums als durch die Stromwärme nach der Beziehung 12R erzeugt wird, so lässt sich ein nahezu vollständiger Temperaturausgleich bei Schwankungen in der Betriebstemperatur des hydraulischen Druckmediums erzielen. Durch Auswahl der Metalle für den Magnetspulendraht, d.h. durch Verwendung von Metallen mit entsprechendem Temperatur-Widerstandskoeffizienten, ist eine mehr oder weniger grosse Temperaturkompensation erreichbar.
- Bei Ausfall der elektrischen Stromzuführung bewegt sich bei dem vorstehend beschriebenen Ventil das Steuerelement K unter der Wirkung der Feder 895 nach links, wodurch der auf die rechte Kolbenfläche des Kolbens I wirkende Druck auf den Einlassdruck ansteigt, so dass unter der Differentialwirkung der Kolben I in die Ventilschliessstellung gebracht wird.
- Fig. 9 zeigt eine Ventilpatrone der erfindungsgemässen Bauart, die als Einheit in ein Leitungsgehäuse od. dgl. einführbar ist, welches im Inneren einen Hochdruck-Einlasskanal und einen Auslasskanal für den gesteuerten Druckmittelauslass aufweist. Dieses Einlassgehäuse ist strichpunktiert angedeutet und besteht aus einem Metallblock mit einem zylindrischen Kanal 910, dessen Innenwand mit 911 bezeichnet ist. Der Kanal 910 erstreckt sich von der Gehäuseseite 912 zu einer Stelle, an der mit einer Hochdruckquelle verbunden ist. Im Gehäuse ist ferner ein zylindrischer Auslasskanal 914 angeordnet, der im Abstand von der Gehäusefläche 912 den Kanal 910 schneidet. Der Kanal 910 ist an seiner Mündung mit einem Innengewinde 916 versehen, in welches die Ventilpatrone einschraubbar ist.
- Die Ventilpatrone besteht im wesentlichen aus einem Kolbengehäuse AA, einem die Steue'r-druckkammer bildenden Gehäuse BB, einem Ventilbetätigungskolben CC, einem Ventilsitz DD, einem Schaft FF, einem Steuerelement GG und einer Magnetspule SS, bei deren Erregung das Steuerelement GG nach rechts verstellt und entsprechend der Ventilkolben CC nach rechts, d.h. in Öffnungsrichtung des Ventils, bewegt wird.
- Das Gehäuse AA besteht im wesentlichen aus einem Block aus hochfestem magnetisch wirksamen Metall und weist einen zylindrischen Gehäuseraum mit einer zylindrischen Innenfläche 920 auf. Das Gehäuse AA weist etwa im mittleren Bereich ein Aussengewinde auf, mit der sich die Ventilpatrone in das Innengewinde 916 des Gehäuseblocks einschrauben lässt. Die Abdichtung der Schraubverbindung erfolgt mittels einer O-Ringdichtung 921. Das Patronengehäuse AA fasst mit seinem linken Ende bis hinter die Mündung des Auslasskanals 914 in den Kanal 910 und ist hier mittels eines O-Ringes 922 abgedichtet. Zwischen den Dichtungen 921 und 922 weist das Patronengehäuse radiale Öffnungen 924 auf, die den Anschluss zu dem Auslasskanal 914 herstellen.
- Das Ventilsitzglied DD besteht aus einem hülsenartigen Teil aus magnetisch wirksamem Werkstoff; es ist am linken Ende der Kammer 919 der Ventilpatrone abgedichtet und durch einen Haltering 934 gesichert.
- Das Steuergehäuse BB entspricht im wesentlichen dem Steuergehäuse der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Es weist ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter, magnetisch wirksamer Teile 970, 971 auf, die durch ein magnetisch unwirksames Zwischenteil 972 getrennt sind. Diese Teile sind miteinander verfugt und verlötet, so dass sie ein druckdichtes Gehäuse bilden. Die Teile 970, 971 und 972 bilden zusammen einen Axialkanal mit einer zylindrischen Innenwand 975. Am rechten Ende ist dieser Kanal von einem topfförmigen Schraubstopfen 976 verschlossen, der in das Teil 971 eingeschraubt und mittels eines O-Ringes 977 abgedichtet ist. Der Stopfen 976 besteht ebenfalls aus magnetisch wirksamem Werkstoff. Die Magnetspule SS umschliesst die Teile 976, 970, 972 und 971 und liegt in einem Gehäusemantel 980 aus magnetisch wirksamem Werkstoff, welcher zwischen der Aussenfläche des Stoffes 976 und dem Patronengehäuse AA, in Anlage hierzu, angeordnet ist. Auch das Patronengehäuse AA ist aus einem magnetisch wirksamen Material gefertigt.
- Der Kolben CC gleitet in Dichtanlage an der Innenwand 920 des Gehäuses AA und weist am Umfang mehrere im Axialabstand angeordnete umlaufende Druckausgleichsnuten 940 auf. Am linken Ende des Kolbens CC ist eine Ventilsitzanlagefläche 941 angeordnet, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens CC.
- Der Kolben CC ist mit einem axialen Längskanal 964 versehen, der sich von seiner rechten Kolbenfläche 942 zu einer ringförmigen Kolbenfläche 965 erstreckt und damit die Verbindung der Steuerdruckkammer mit dem Auslass- oder Niederdruck herstellt. Das linke Ende des Kanals 964 ist bei 966 im Durchmesser verjüngt und bildet hier eine Drosselstelle.
- An der rechten Kolbenfläche 942 ist der Schaft FF angeordnet, welcher sich nach rechts in die Steuerdruckkammer erstreckt. Die Kolbenfläche 942 bildet zusammen mit der rechten Endfläche 943 des Schaftes FF eine Druckfläche zur Verstellung des Kolbens CC nach links. Die Aussenfläche 944 des Schaftes FF weist eine umlaufende Nut 945 auf, die über einen radial gebohrten Querkanal 946 mit einem axialen Druckmittelkanal 947 verbunden ist, der sich von einer in Nähe der Endfläche liegenden Stelle zu dem linken Ende 948 des Kolbens CC erstreckt. In der Fläche 944 des Schaftes sind ausserdem umlaufende Druckausgleichsnuten 953 angeordnet.
- In das rechte Ende des Kanals 947 ist ein Stopfen 950 aus magnetisch wirksamem Werkstoff eingesteckt, der einen Axialkanal 951 aufweist. welcher über einen gebohrten Querkanal 952 mit dem Hochdruckkanal 910 und andererseits mit dem Kanal 947 des Kolbens CC verbunden ist, so dass das Hochdruckmedium an der Nut 945 steht. Die linke Stirnfläche 948 des Stopfens 951 ist im äusseren Kantenbereich abgeschrägt, um den auftreffenden Druckflüssigkeitsstrom an dieser Stelle aufzuteilen und in weitgehend wirbelfreiem Strom in Richtung auf den Ventilsitz 932 zu lenken, wenn sich das Ventil im Öffnungszustand befindet.
- Das Steuerelement GG ist angenähert topfförmig ausgebildet. Es besteht aus einer Bodenfläche 955 und einer Umfangsfläche 956. Der Durchmesser der Innenbohrung ist so gewählt, dass das Steuerelement GG auf der Aussenfläche 944 des Schaftes FF dichtend gleitet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also das Steuerelement GG auf dem zapfen- oder stangenförmigen Schaft FF, statt an der Innenwandung der Steuerdruckkammer, gleitend abgestützt.
- Die Aussenfläche 958 des Steuerelementes GG weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der Fläche 920, so dass sich hier ein Spalt bildet, über welchen die Nut 945 in Druckmittelverbindung mit der Kolbenfläche 942 des Kolbens CC steht. Die den Mantel des Steuerelementes GG bildenden Wände des Topfstükkes sind mit quer gebohrten Öffnungen 960 versehen, die den Raum auf der Aussenseite des Steuerelementes mit der Nut 945 verbinden. Die Öffnungen 960 überschneiden das rechte Ende der Nut 945 um ein Mass, welches etwa dem halben Durchmesser entspricht.
- Zwischen dem linken Ende des Steuerelementes GG und der Kolbenfläche 942 befindet sich ein Abstandselement 962 aus magnetisch unwirksamem Material.
- Das Steuerelement GG wird von einer Feder 962 in die linke Position gedrückt, die sich einerseits am Boden des topfförmigen Stopfens 976 und andererseits am Boden einer Bohrung 985 abstützt, die sich am rechten Ende des Steuerelementes GG befindet. Die Bohrung 985 ist über eine kleine Öffnung oder Drossel 986 in dem Boden 955 mit dem Innenraum des Steuerelementes verbunden. Diese Öffnung bildet eine Dämpfungsöffnung, welche die Stellbewegung des Steuerelementes GG gegenüber dem Schaft FF stabilisiert.
- Wenn im Betrieb die Magnetspule SS von der Stromquelle gemäss Fig. her erregt wird, so stellt sich ein geringer Strom in der Spule ein, der einen kleinen Magnetfluss erzeugt, welcher zur Verstellung des Steuerelementes GG gegen die Anfangskraft der Feder 982 nicht ausreicht. Der Hochdruck im Kanal 910 wird über die Kanäle 952, 951, 947, 946 und die Nuten 945 und 960 auf die rechte Seite des Kolbens CC übertragen. Da die rechte Kolbenseite grösser ist als die druckbeaufschlagte Fläche des Ventilsitzes 932, wird der Kolben CC nach links geschoben. Unter allen Betriebszuständen liegt eine gedrosselte Druckmittelverbindung über diese Kanäle zur Steuerdruckkammer hin und von hier über den Kanal 964 und die Drossel 966 zu dem Auslass 914 hin vor. Das Druckmittelvolumen wird primär durch die Grösse der Drossel 966 bestimmt.
- Bei stärkerer Erregung der Magnetspule SS bewegt sich das Steuerelement GG nach rechts und drosselt die Verbindung zwischen der Nut 945 und den Kanälen 960. Hierbei stellt sich ein Druckabfall in der Steuerdruckkammer ein mit der Folge, dass sich der Kolben CC nach rechts bewegt und damit das Ventil öffnet.
- Das über den Auslass 914 abfliessende Druckmedium wird z.B. einer hydraulischen Vorrichtung zugeführt, wobei sich in dem Auslass 914 ein bestimmter Druck aufbaut. Das beschriebene Ventil hält zwischen dem Einlass 910 und dem Auslass 914 einen konstanten Differenzdruck aufrecht. Falls dieses Druckgefälle erhöht oder vermindert werden soll, so wird die Magnetspule SS entweder erregt oder elektrisch abgeschaltet, wodurch sich das Steuerelement GG entweder nach rechts oder nach links bewegt und das Ventilschliessglied in Schliessrichtung oder in Öffnungsrichtung verstellt wird.
- Der Ventilsitz DD und die Gehäuse AA und BB bestehen aus magnetisch wirksamem Werkstoff. Der Erregerstrom in der Magnetspule SS reicht aus, um ein Magnetfeld um die Ventilsitzanlagefläche 941 herum und in deren Nähe zu erzeugen. Dieses Magnetfeld zieht Magnetpartikel, die von dem im Bereich der Kanäle 952 gedrosselten Druckmedium mitgeführt werden, an und lagert sie in Nähe des Ventilsitzes 941 ab. Beim Öffnen des Ventils werden die abgelagerten Verunreinigungen ausgespült.
- Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein zweiteiliges Gehäuse vorgesehen, dessen eines Gehäuseteil das Arbeits-oder Stellglied aufnimmt und eine Hochdruckkammer aufweist, während das andere Gehäuseteil das eine Steuerdruckkammer bildende Steuergehäuse ist. Die Gehäuseteile können einstückig gefertigt sein oder aus gesondert gefertigten Gehäusen bestehen, die nachträglich druckdicht miteinander verbunden werden. Das Arbeits- oder Stellglied bzw. der Stellkolben weist eine von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Fläche auf und ist in seinem Gehäuse unter der Druckwirkung auf diese Fläche gegen in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte in Positionen beweglich, die von einem magnetisch einstellbaren Steuerelement genau bestimmt werden. Das Arbeits- oder Stellglied kann unterschiedliche Funktionen erfüllen, z.B. einen aus dem Gehäuse herausgeführten Schaft oder ein sonstiges Stellglied verstellen, ferner eine Ventilfeder entspannen oder zusammendrücken, einen Ventilschieber betätigen, ein Ventilschliessglied betätigen, welches mit dem Stellglied einstückig verbunden ist oder aus einem gesonderten Teil besteht, den Kolben einer Pumpe hin und her bewegen oder sonstige Betätigungen ausführen, die einen kurzen Hub von z.B. unter 52 mm in einer Hubrichtung bei hoher Hubkraft erfordern.
- Da bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 7 und 8 die beiden Gehäuseteile getrennt hergestellt und anschliessend miteinander verbunden sind, kann eine genaue axiale Ausrichtung der beiden Gehäuseräume Schwierigkeiten verursachen. Das Stellglied ist in dem einen Gehäuse verschiebbar, während das Steuerelement sich in dem anderen Gehäuse bewegt und den Schaft dicht umschliesst. Bei Fluchtungsschwierigkeiten empfiehlt sich die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Befestigung des Schaftes an dem Stellglied.
- Bei bekannten elektromagnetisch gesteuerten Nadelventilen sind für die Steuerung selbst kleiner Druckflüssigkeitsmengen verhältnismässig grosse elektrische Leistungen erforderlich, z.B. 12 Watt für eine Druckflüssigkeitsmenge von höchstens 1,8 I/min. bei 210 bar, was einem Verhältnis von 24 Watt je 3,7 I entspricht. Ausserdem ist hier die Anordnung so getroffen, dass diese Ventile entweder voll geöffnet oder voll geschlossen sind. Die maximale Durchströmmenge ist so gering, dass sie normalerweise nur dazu verwendet werden kann, ein weiteres druckbetätigtes Hauptventil zu steuern, welches dann seinerseits die grössere Druckflüssigkeitsmenge steuert, die von einer gesteuerten druckmittelbetriebenen Vorrichtung benötigt wird. Mit dem erfindungsgemässen Servoantrieb kann das Ventil dagegen solch grosse Druckmittelvolumen steuern, dass das Druckmittel unmittelbar als Betriebsmedium zur Betätigung einer leistungsstarken hydraulischen Vorrichtung eingesetzt werden kann.
- Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit einer Leistung von höchstens 6 Watt Druckmittelmengen von über 113,51/min. bei einem Verstellbereich zwischen 400cm3/min. und über 113,5 I/min. zu steuern. Bei einem Servomotor der erfindungsgemässen Art kann bei einem Betriebsdruck von 210 bar und einem Stellglied von 50,8 mm leicht eine Last bis über 4000 kg mit einer elektrischen Leistung von 6 Watt, d.h. bei einem Verhältnis von 680 kg je Watt, gesteuert werden. Mit grösseren Stellglieddurchmessern lassen sich entsprechend grössere Leistungsverhältnisse erzielen.
- Bei den Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 5 ist es möglich, ein Stellglied bzw. den Stellkolben durch kontinuierliche Änderung der Magnetkraft an dem Steuerelement C, C' hin und her zu bewegen, indem z.B. der Potentiometerarm eine oszillierende Bewegung ausführt, oder mit einem die Steuerkammer umschliessenden oszillierenden Permanentmagneten gearbeitet wird oder indem der Schalter des in Fig. 1 gezeigten Solenoiden ein- und ausgeschaltet wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 lässt sich die hin und her gehende Kolbenbewegung durch Umschalten von dem einen auf den anderen Magneten erreichen. Die Hubbewegung des Stellkolbens kann z.B. zur Betätigung einer Kolbenpumpe ausgenutzt werden.
- Bei einem Servoantrieb nach den Fig. 1 und 5 kann auch der Kanal 75 fortgelassen werden, und es kann der Hochdruck-Verbindungskanal 70 durch andere Mittel ersetzt werden. Die mit der Einlassöffnung versehene Hochdruckkammer 16 kann über ein Rückschlagventil mit der Hochdruckseite verbunden sein. Ausserdem kann hier der Auslass über ein Rückschlagventil mit einer Vorrichtung verbunden sein, die von dem über den Druck des Hochdruckmediums verstärkten Druck des Betriebsmediums versorgt wird. Die Verwendung eines Steuerelementes in Form einer Hülse, welche ein Steuerkanalelement in Gestalt eines Schaftes umschliesst, in welchem mindestens einer der zu der Steuerdruckkammer führenden Kanäle liegt, ermöglicht eine genaue Steuerung bei kleinen Bauabmessungen.
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