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PATENTANSPRÜCHE
1. Hydraulisches Steuerelement, bestehend aus einem Zweiwege-Einbauventil mit elektrischem Verstellmotor und hydraulischer Vorsteuerung, welches Einbauventil ein Sitzventil oder Schieberventil mit hohlzylindrischer Einbaupatrone (50) und einem durch eine Betätigungsfeder (64) gegen eine definierte Ventilstellung gedrückten Betätigungskolben (60) ist, und welche Vorsteuerung eine hydraulische Drucksteuerung mit in einem Steuerschieber (3) untergebrachtem, durch eine Druckfeder (47) vorgespanntem Steuerkolben (40) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskolben (60) mit der inneren Zylinderwand der Einbaupatrone (50) und der Betätigungsfeder (64) des Einbauventils (5), der Steuerkolben (40), der die Steueröffnung (53) des Betätigungskolbens (60) be- und entlastenden Drucksteuerung und eine mit dem elektrischen Verstellmotor (1) verbundene Spindel (29),
die mit einem Spindelgewinde (89) in den Betätigungskolben (60) eingeschraubt ist, einen hydraulischen Linearverstärker für den elektrischen Verstellmotor (l) bilden.
2. Steuerelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im einseitig verschlossenen, als Hohlzylinder ausgebildeten Betätigungskolben (60) ein zur Abstützung der Betätigungsfeder (64) dienender, mit einem Innengewinde (88) für das Spindelgewinde (89) versehener Einsatz (84) angeordnet ist.
3. Steuerelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (84) axial durchbohrt ist und dass das Innengewinde (88) an dem zur Abstützung der Betätigungsfeder (64) dienenden Federteller (85) gegenüberliegenden Ende des Einsatzes (84) angeordnet ist.
4. Steuerelement nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federteller (85) als einstückig mit dem Einsatz (84) verbundener Flansch ausgebildet ist.
5. Steuerelement nach einem der vorangehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (40) zwei Steuerkanten (44,45) aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuerelement gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
In der Industriehydraulik werden in letzter Zeit anstelle von Einzelgeräten, wie Wegeventile oder Druckbegrenzerventile, hydraulisch gesteuerte Widerstände eingesetzt. Diese Widerstände, als Zweiwege-Einbauventile bezeichnet, sind in Form von Sitzventilen und Schieberventilenje als Schliesseroder Öffner-Ventil bekannt.
In einem üblichen Aufbau gemäss dem sogenannten Cartridge-Baukasten sind die Bauteile das Cartridge oder die Patronen, die Vorsteuerungen, die Cartridgedeckel oder komplette Cartridgeventile, siehe o+p ölhydraulik und pneumatik 25 (1981) Nr. 8, Seiten 607-610.
Die Cartridges oder Patronen bestehen aus einem Gehäuse, mit dem fetstehenden Sitzteil und einem Kolben mit dem beweglichen Sitzteil. Bei Schliessventilen wird der Kolben in eine der beiden Endstellungen, nämlich entweder in die Offenstellung oder in die Zustellung, gedrückt. Durch die Vorsteuerung wird auf den Kolben eine Kraft ausgeübt, der sogenannte Vorsteuerdruck. Dieser kann durch Druckbegrenzungsventile entweder manuell oder automatisch verstellt werden. Sind mehrere Cartridges gleichzeitig zu betätigen, wird hierzu der Cartridgedeckel benützt, der die Verknüpfungen der Zu- und Ableitungen für das Druckmedium der Vorsteuerung enthält, um durch Kombinationen von mehreren Cartridges bestimmte hydraulische Steuerfunktionen auszuüben.
Schliesslich sind noch die Cartridgeventile zu betrachten, die als Rückschlagventil mit Positionskontrolle, Auf Zuventil mit Positionskontrolle in einer der beiden Stellungen, Proportional-Drosselventil mit elektromagnetischer Einstellung des gewünschten Hubes oder als Lastkompensator in 3-Wege-Ausführung mit einstellbarer Druckvorsteuerung aufgebaut sein können. Wesentlich an diesen Cartridgeventilen ist eine Rückmeldung der effektiven Kolbenstellung mit zugehöriger Regelung der Vorsteuerung.
Gemäss o+p ölhydraulik und pneumatik 25 (1981) Nr. 8, Seiten 617-624 sind mechanische, hydraulische und elektrische Rückführungen neben Folgekolbensystemen bekannt geworden. Allen gemeinsam ist eine Wegmessung des Kolbenhubes, die entweder über eine Feder bei der mechanischen Rückführung, eine Drucksteuerung der Vorsteuerung bei der hydraulischen Rückführung, oder einen induktiven Wegerfasser bei der elektrischen Rückführung geschieht.
Ein beispielsweiser Einsatz solcher Ventile ist bei Fernsteuerung bei Automation vorgesehen. Dies erfordert Hydraulikkomponenten mit hoher Dynamik, d.h. kurze Schaltzeiten bei optimalem Führungsverhalten sowie rasche und vollständige Ausregelung von Störgrössen bei Druckoder Volumenänderungen des Fluids.
Von den vorgenannten Beispielen lässt sich nur die elektrische Rückführung soweit ausbauen, dass die Cartridgeventile den hohen Anforderungen genügen. Diese elektrischen Rückführungen benötigen komplizierte Schaltungsanordnungen mit Vergleichswerten und Systemüberprüfungen für einen sicheren Betrieb, die sogenannten fail-safe-Schaltungsanordnungen.
Es ist nun eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Cartridgeventil zu bauen, das ohne grossen Aufwand an zusätzlichen Mitteln ein genaues Einstellen des Flusses und ein Nachlaufvermögen bei Änderungen im oder des Fluids erlaubt und bei hoher Betriebssicherheit kostengünstig herstellbar ist und alle Anforderungen bei Fernsteuerungen erfüllt.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
In der einzigen Figur ist ein Längsschnitt des erfindungsgemässen hydraulischen Steuerelementes dargestellt. Die folgenden Abschnitte können leicht unterschieden werden:
Der elektrische Verstellmotor 1 kann ein Gleichstromoder ein Schrittmotor sein, je nachdem ob eine analoge oder eine digitale Steuerung bevorzugt ist. Das Kupplungselement 2 ist eine Drehkupplung mit axialem Spiel und der hydraulische Steuerschieber 3 mit Steuerzylinder 30 und Steuerkolben 40 bildet das Steuerelement. Das Zweiwege-Einbauventil 5 besitzt einen ersten Öffnungsquerschnitt A, der mit einem zweiten Öffnungsquerschnitt B zusammen den Weg für das Fluid bildet, und der Öffnungsquerschnitt C ist der hydraulische Steuereingang.
Das Kupplungselement 2 besteht aus zwei Kupplungsscheiben 21, 22, von denen die Scheibe 21 starr mit der Welle 11 des Motors 1 und die Scheibe 22 starr mit einer Spindel 29 verbunden ist. Unter sich sind die beiden Scheiben über wenigstens zwei diagonal angeordnete Stifte 23, 24 verdrehsicher gekuppelt. Damit wird jede Drehung der Welle 11 des Motors 1 winkelgetreu und spielfrei auf die Spindel 29 übertragen, während die Spindel 29 einen begrenzten axialen Hub ausführen kann.
Der hydraulische Steuerschieber 3 besteht aus einem Steuerzylinder 30 mit dem Rückführanschluss 31 und einem
Zuführanschluss 32. In der Innenwand sind drei umlaufende Nuten 33, 34, 35 eingeschnitten, von denen die aussenliegenden Nuten 33,35 mit dem Rückführanschluss 31 bzw.
dem Zuführanschluss 32 und die mittig angeordnete Nute 34 über einen Steuerkanal 36 mit dem Steuerhohlraum 57 des Einbauventils 5 kommunizieren.
Der Steuerkolben 40 weist ebenfalls umlaufende Nuten 41, 42 mit einem dazwischen befindlichen Steuersteg 43 mit den beiden Steuerkanten 44,45 auf. Der Steuerkolben 40 weist zudem eine axiale Bohrung 46 zur Durchführung der Spindel 29 auf. Mittels einer Druckfeder 47, die einerseits auf einer Schulter in der Bohrung 46 aufliegt und anderseits am Gehäuse 25 der Kupplung 2 abgestützt ist, wird der Kolben 40 in Richtung von der Kupplung 2 gepresst, um eine axialspielfreie Verbindung zwischen Steuerkolben 40 und Spindel 29 und zwischen Spindelgewinde 89 und Innengewinde 88 zu gewährleisten.
Die Spindel 29 ihrerseits weist einen Auflageflansch 28 auf, auf dem der Steuerkolben 40 mit der Schulter 48 infolge der Federkraft der Druckfeder 47 aufliegt. Damit bewirkt eine axiale Verschiebung der Spindel 29 eine Verstellung der Steuerkanten 44, 45 bezüglich der mittleren Nut 34, so dass Fluid aus dem Steuerhohlraum 57 heraus oder in diesen hineingelangen kann.
Das Zweiweg-Einbauventil 5 umfasst die Patrone 50 und den Betätigungskolben 60. Die Patrone 50 ist als Hohlzylinder ausgebildet, weist eine untere Zuflussöffnung 51 mit einer Querschnittsfläche A, seitliche Abflussöffnungen 52 mit einer Querschnittsfläche B und eine Steueröffnung 53 mit einer Querschnittsfläche C auf. Zwischen der Zuflussöffnung 51 und den Abflussöffnungen 52 befindet sich der Ventilsitz, im vorliegenden Falle eine Auflagekante 54. Durch besondere Formgebung des Ventilsitzes einerseits und des Kegels 61 des Betätigungskolbens 60 andererseits werden mit den Querschnittsflächen A, B, C zusammen verschiedene Eigenschaften der Cartridgeventile erhalten, wie a.o. Nr. 8, Seite 608, ausführlich dargelegt ist. Die Patrone 50 ist mit einem Deckel 55 abgeschlossen.
Dieser Deckel 55 weist einerseits eine Durchgangsöffnung 56 zur Verbindung des Steuerkanals 36 im Steuerzylinder 30 mit dem Steuerhohlraum 57 im Cartridgeventil 5 und anderseits eine Bohrung 58 für die Spindel 29 auf.
Es ist auch denkbar, dass die Spindel 29 in einen Steuerteil 29a und einen Betätigungsteil 29b unterteilt ist, welche beiden Teile in der Verdickung 74 z.B. durch eine Differenzschraube miteinander verbunden sein können.
Der Betätigungskolben 60 besteht aus einem hohlzylindrischen Kolbenkörper 59 mit Boden. Der Boden bildet den Ventilkegel 61. In den Hohlraum 62 ist ein Einsatz 84 mit flanschähnlichem Federteller 85 eingesetzt. Auf dem genannten Federteller 85 liegt das untere Ende 63 einer wendelförmigen Betätigungsfeder 64 auf, die mit ihrem oberen Ende 65 am Deckel 55 abgestützt ist. Der Einsatz 84 ist axial und diametral durchbohrt. Durch diese beiden Bohrungen 86, 87 kann Fluid entsprechend der Einschraubtiefe der Spindel 29 fliessen. An dem dem Federteller 85 entgegengesetzten Ende ist die Bohrung als Innengewinde 88 ausgebildet. Entsprechend ist der Betätigungsteil 29b der Spindel 29 ebenfalls mit einem Gewinde 89 versehen.
Die Arbeitsweise eines solchen Cartridgeventils ist die folgende: Durch den elektrischen Verstellmotor 1 wird beim Öffnungsvorgang die Spindel 29 um einen bestimmten Winkel im Uhrzeigersinn rotiert. Damit schraubt sich das Gewinde 89 in das Innengewinde 88 bzw. in den Einsatz 84 hinein und nimmt den Steuerkolben 40 nach unten mit.
Die Steuerkante 44 gibt den Weg vom Steuerhohlraum 57 zum Rückführanschluss 31 frei, so dass der Steuerdruck abgebaut wird und sich der Kolben 60 infolge des Systemdrucks (Fläche A, C) soweit nach oben bewegt, bis die Steuerkante 44 schliesst. Das Ventil hat sich damit entsprechend der Sollvorgabe des Vestellmotors geöffnet.
In analoger Weise erfolgt der Schliessvorgang: Der Verstellmotor 1 dreht die Spindel 29 im Gegenuhrzeigersinn.
Dadurch schraubt sich die Spindel 29 aus dem Innengewinde 88 heraus und lenkt den Steuerkolben 40 nach oben aus. Die Steuerkante 45 gibt den Weg vom Zuführanschluss 32 zum Steuerhohlraum 57 frei. Der auf den Betätigungskolben 60 wirkende Steuerdruck und die Kraft der Feder 64 bewirken eine Schliessbewegung des Kolbens 60 entsprechend der Sollvorgabe des Verstellmotors. Bei nicht geschlossenem Ventil steht der Druck im Steuerhohlraum 57 und die Federkraft der Feder 64 im Gleichgewicht mit dem gegenwirkenden Druck von unten auf die Fläche C.
Durch diesen Vorschlag ist ein Zweiwege-Einbauventil mit einem Steuerventil gekoppelt. Die Verstellung des Einbauventils erfolgt analog mittels eines Gleichstrommotors oder digital mittels eines Schrittmotors. Die Steuerfluidversorgung kann sowohl aus dem externen Fluidkreis oder aus einem internen Versorgungssystem erfolgen. Bei externer Versorgung muss natürlich der Fluiddruck mindestens gleich hoch sein wie der Systemdruck.
Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, dass die eingangs beschriebene aufwendige Wegmessung mit zugehöriger Signalverarbeitung entfällt. Die Vorgabe für Weg und Geschwindigkeit erfolgt durch den Verstellmotor, der sich mit üblichen Steueranordnungen in reproduzierbarer Weise genau einstellen lässt. Durch die mechanische starre Rückführung der Lage des Betätigungskolbens 60 werden auftretende Störungen infolge von Druck- oder Volumenänderungen direkt ausgeregelt, ohne dass erst ein Fehler festgestellt, die notwendige Korrektur für das Einbauventil ermittelt und die Verstellung durchgeführt werden muss.
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PATENT CLAIMS
1.Hydraulic control element, consisting of a two-way cartridge valve with an electric adjustment motor and hydraulic pilot control, which cartridge valve is a seat valve or slide valve with a hollow cylindrical cartridge (50) and an actuating piston (60) pressed by an actuating spring (64) against a defined valve position, and Which pilot control is a hydraulic pressure control with a control piston (40), which is accommodated in a control slide (3) and is biased by a compression spring (47), characterized in that the actuating piston (60) with the inner cylinder wall of the installation cartridge (50) and the actuating spring (64 ) of the built-in valve (5), the control piston (40), the pressure control loading and unloading the control opening (53) of the actuating piston (60) and a spindle (29) connected to the electric adjusting motor (1),
which is screwed into the actuating piston (60) with a spindle thread (89), form a hydraulic linear amplifier for the electric adjusting motor (l).
2. Control element according to claim 1, characterized in that in the one-sided closed, designed as a hollow cylinder actuating piston (60) for supporting the actuating spring (64) serving, with an internal thread (88) for the spindle thread (89) provided insert (84) is.
3. Control element according to claim 2, characterized in that the insert (84) is axially pierced and that the internal thread (88) on the spring plate (85) serving to support the actuating spring (64) is arranged opposite end of the insert (84).
4. Control element according to claim 3, characterized in that the spring plate (85) is designed as a one-piece with the insert (84) connected flange.
5. Control element according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the control piston (40) has two control edges (44, 45).
The present invention relates to a hydraulic control element according to the preamble of independent claim 1.
In industrial hydraulics, hydraulically controlled resistors have recently been used instead of individual devices such as directional control valves or pressure limiting valves. These resistors, referred to as two-way cartridge valves, are known in the form of poppet valves and spool valves as normally open or normally closed valves.
In a customary construction according to the so-called cartridge construction kit, the components are the cartridge or the cartridges, the pilot controls, the cartridge cover or complete cartridge valves, see o + p oil hydraulic and pneumatics 25 (1981) No. 8, pages 607-610.
The cartridges or cartridges consist of a housing with the fixed seat part and a piston with the movable seat part. In the case of closing valves, the piston is pressed into one of the two end positions, namely either in the open position or in the infeed. The pilot control exerts a force on the piston, the so-called pilot pressure. This can be adjusted either manually or automatically using pressure relief valves. If several cartridges are to be actuated at the same time, the cartridge cover is used for this purpose, which contains the connections of the supply and discharge lines for the pressure medium of the pilot control in order to perform certain hydraulic control functions through combinations of several cartridges.
Finally, the cartridge valves must also be considered, which can be constructed as a check valve with position control, on a supply valve with position control in one of the two positions, a proportional throttle valve with electromagnetic setting of the desired stroke or as a 3-way load compensator with adjustable pressure pilot control. What is important about these cartridge valves is feedback of the effective piston position with the associated control of the pilot control.
According to o + p oil hydraulics and pneumatics 25 (1981) No. 8, pages 617-624, mechanical, hydraulic and electrical feedback systems in addition to follower piston systems have become known. Common to all is a displacement measurement of the piston stroke, which is done either via a spring in the mechanical feedback, a pressure control of the pilot control in the hydraulic feedback, or an inductive position detector in the electrical feedback.
An example of such valves is intended for remote control in automation. This requires hydraulic components with high dynamics, i.e. Short switching times with optimal guidance behavior as well as quick and complete control of disturbances when the pressure or volume changes in the fluid.
Of the above examples, only the electrical feedback can be expanded to such an extent that the cartridge valves meet the high requirements. These electrical feedback circuits require complicated circuit arrangements with comparison values and system checks for safe operation, the so-called fail-safe circuit arrangements.
It is an object of the invention to build a simple cartridge valve which allows a precise adjustment of the flow and a trailing ability in the event of changes in or the fluid without great expenditure of additional means and which can be produced inexpensively with high operational reliability and meets all requirements for remote controls.
According to the invention this is achieved by the features in the characterizing part of independent claim 1.
An embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing.
In the single figure, a longitudinal section of the hydraulic control element according to the invention is shown. The following sections can be easily distinguished:
The electric adjustment motor 1 can be a direct current or a stepper motor, depending on whether an analog or a digital control is preferred. The coupling element 2 is a rotary coupling with axial play and the hydraulic control slide 3 with the control cylinder 30 and control piston 40 forms the control element. The two-way cartridge valve 5 has a first opening cross section A, which together with a second opening cross section B forms the path for the fluid, and the opening cross section C is the hydraulic control input.
The coupling element 2 consists of two clutch discs 21, 22, of which the disc 21 is rigidly connected to the shaft 11 of the motor 1 and the disc 22 is rigidly connected to a spindle 29. The two disks are coupled underneath each other via at least two diagonally arranged pins 23, 24. This means that each rotation of the shaft 11 of the motor 1 is transmitted to the spindle 29 in an angle-free and play-free manner, while the spindle 29 can carry out a limited axial stroke.
The hydraulic control slide 3 consists of a control cylinder 30 with the return connection 31 and one
Feed connection 32. In the inner wall, three circumferential grooves 33, 34, 35 are cut, of which the outer grooves 33, 35 with the return connection 31 or
the feed connection 32 and the centrally arranged groove 34 communicate via a control channel 36 with the control cavity 57 of the cartridge valve 5.
The control piston 40 also has circumferential grooves 41, 42 with an intermediate control web 43 with the two control edges 44, 45. The control piston 40 also has an axial bore 46 for the passage of the spindle 29. By means of a compression spring 47, which rests on the one hand on a shoulder in the bore 46 and on the other hand is supported on the housing 25 of the clutch 2, the piston 40 is pressed in the direction of the clutch 2 in order to provide an axial play-free connection between the control piston 40 and the spindle 29 and between To ensure spindle thread 89 and internal thread 88.
The spindle 29 in turn has a support flange 28 on which the control piston 40 rests with the shoulder 48 due to the spring force of the compression spring 47. An axial displacement of the spindle 29 thus causes an adjustment of the control edges 44, 45 with respect to the central groove 34, so that fluid can get out of or into the control cavity 57.
The two-way cartridge valve 5 comprises the cartridge 50 and the actuating piston 60. The cartridge 50 is designed as a hollow cylinder, has a lower inflow opening 51 with a cross-sectional area A, lateral outflow openings 52 with a cross-sectional area B and a control opening 53 with a cross-sectional area C. The valve seat, in the present case a support edge 54, is located between the inlet opening 51 and the outlet openings 52. Due to the special shape of the valve seat on the one hand and the cone 61 of the actuating piston 60 on the other hand, different properties of the cartridge valves are obtained together with the cross-sectional areas A, B, C, like ao No. 8, page 608, is set out in detail. The cartridge 50 is closed with a cover 55.
This cover 55 has on the one hand a through opening 56 for connecting the control channel 36 in the control cylinder 30 to the control cavity 57 in the cartridge valve 5 and on the other hand a bore 58 for the spindle 29.
It is also conceivable that the spindle 29 is subdivided into a control part 29a and an actuating part 29b, which two parts in the thickening 74 e.g. can be connected by a differential screw.
The actuating piston 60 consists of a hollow cylindrical piston body 59 with a bottom. The bottom forms the valve cone 61. An insert 84 with a flange-like spring plate 85 is inserted into the cavity 62. On the aforementioned spring plate 85, the lower end 63 of a helical actuating spring 64 rests, which is supported with its upper end 65 on the cover 55. The insert 84 is pierced axially and diametrically. Fluid can flow through these two bores 86, 87 in accordance with the screwing depth of the spindle 29. At the end opposite the spring plate 85, the bore is formed as an internal thread 88. Accordingly, the actuating part 29b of the spindle 29 is also provided with a thread 89.
The operation of such a cartridge valve is as follows: The electric adjusting motor 1 rotates the spindle 29 clockwise by a certain angle during the opening process. The thread 89 thus screws into the internal thread 88 or into the insert 84 and takes the control piston 40 downward.
The control edge 44 clears the way from the control cavity 57 to the return connection 31, so that the control pressure is reduced and the piston 60 moves upward as a result of the system pressure (area A, C) until the control edge 44 closes. The valve has thus opened in accordance with the target setting of the variable motor.
The closing process takes place in an analogous manner: the adjusting motor 1 rotates the spindle 29 counterclockwise.
As a result, the spindle 29 unscrews from the internal thread 88 and deflects the control piston 40 upward. The control edge 45 clears the way from the feed connection 32 to the control cavity 57. The control pressure acting on the actuating piston 60 and the force of the spring 64 bring about a closing movement of the piston 60 in accordance with the target specification of the adjusting motor. When the valve is not closed, the pressure in the control cavity 57 and the spring force of the spring 64 are in equilibrium with the counteracting pressure from below on the surface C.
With this proposal, a two-way cartridge valve is coupled to a control valve. The built-in valve is adjusted analogously by means of a DC motor or digitally by means of a stepper motor. The control fluid supply can take place either from the external fluid circuit or from an internal supply system. With an external supply, the fluid pressure must of course be at least as high as the system pressure.
Advantages of this arrangement are that the complex displacement measurement with associated signal processing described in the introduction is dispensed with. The setting for path and speed is made by the adjustment motor, which can be precisely set in a reproducible manner using conventional control arrangements. Due to the mechanical rigid feedback of the position of the actuating piston 60, any faults that occur as a result of pressure or volume changes are corrected directly, without first finding an error, determining the necessary correction for the cartridge valve and making the adjustment.