ELECTROHYDRAULIC PROPORTIONAL VALVE

Abstract: 1. Am electro-hydraulic proportional valve comprising a variable-force solenoid, i.e. a solenoid the magnetic force of which is controlled by varying the current or the voltage, acting on a valve body (5; 25, 26) disposed in a housing passage between a pressure fluid inlet port (2) and an outlet port (3) for controlling the valve closing force and the stroke thereof, characterized in that between said solenoid (15) and said valve body (5; 25, 26) there is provided a transmission lever (13) acting directly on said valve body of said proportional valve so as to convert a relatively small magnetic force with a relatively long solenoid stroke into a relatively strong closing force with a relatively short stroke of said valve body.

Description: Elektrohydraulische Proportionalventil B e s c h r e i b u n g ie Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Pro portionalventil der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art. Aus der Zeitschrift "und-oder-nor + Steuerungstech nik" 9/1979, Seiten 75 und 76, sind elektrohydraulische Proportionalventile zur Steuerung von Geschwindigkeit und Druck eines Hydraulikmediums bekannt, wobei irnsbe- sondere ein kraftgeregelter Magnet als elektromagnetische Feder für den Ventilkörper wirkt. Kraftregelung des Magneten wird durch Stromveränderung bzw. auch Spannungsveränderung bewirkt. Der Magnet führt erst einen Rub aus, wenn der hydraulische Druck den Ventil Körper anhebt. Wie aus dieser Literaturstelle hervorgebt, ist ein solches Proportionalventil nur für eine indirekte Betätigung von Wege-, Druck- und Stronventi- len brauchbar, da es nur kleine Steuerölmengen verkraften kann. Es ist zwar das Produkt aus Rub x Kraft bei kraftgeregelten Magneten, insbesondere Gleichstronmagneten, konstant. Wenn jedoch der Hub gegen mull geht, müsste theoretisch die Kraft gegen Unendlich anwachsen. Dies geht aber in der Praxis nicht. Es sind deshalb für kleine Hübe und grosse Schliesskräfte Spezialmagneten erforderlich, die einen besonders hohen technischen Aufwand erfordern würden und zudem die Dimensionen des Proportionalventils in unzulässiger Weise vergrössern müssten. Dies ist auch der Grund dafür, dass eleRtro- hydraulische Proportionalventile in der Pegel nur als Vorsteuerventile für die eigentlichen Rauptsteuerventile eingesetzt werden. Es ist nämlich bisher keine Möglich keit gefunden worden, mit kraftgeregelten Magneten auch bei kleinen Rüben extrem hohe Schliesskräfte für den Ventilkörper erzeugen zu können, damit auch im Hochdruckbereich und bei grossem Durchsatz eine einwand- freie Regelung oder Steuerung möglich ware. Aus einem Artikel der Zeitschrift "Control-Revue" 3/1980, Seiten 18 bis 21, gehen verschiedene Anwendungsfälle für elektrohydraulische Proportionalventile hervor. Es zeigt sich hierbei immer, dass bei hohen Arbeitsdrücken und grösserem Durchsatz die Proportionalventile nur als Vorsteuerventile eingesetzt werden können, die mit verringerten Druck und/oder verringertem Durchsatz beaufschlagt werden. Bedingt ist dies wiederum dadurch, dass der Magnet hier unmittelbar auf den Ventilkörper einwirkt und deshalb nicht in der Lage sein kann, bei extrem kleinen Rüben des Ventilkörpers extrem grosse Kräfte auf zubringen. Dasselbe gilt für die elektrohy draulische Proportionalventile, die aus den Prospektblättern D-6.1,6.2,6.3, GOD,der FirmaNaschinenbau, Handels- und Service-GmbE, 8 München 40, bekannt sind und die ebenfalls infolge der direkten Betätigung der Ventilkörper vom Magneten nur als Vorsteuerventile verwendet werden. Allerdings ist bei diesen Proportional ventilen, die z.B als Druckninder- oder als Druckbegrenzungsventil eingesetzt werden, zwischen den Magne- ten und dem Ventilkörper eine Feder eingeschaltet. Dies ändert aber nichts daran, dass der Magnet für den Schliesskörper bei kleinem Schliesskörperhub keine grosse Schliesskraft erzeugen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrohydraulisches Proportionalventil der einganbs genannten Art zu schaffen, das trotz Verwendung eines herkömmli- chen Magneten mit üblicher Auslegung und üblicher Grösse in der Lage ist, auch bei hohen Arbeitsdrücken und grossem Durchsatz als Rauptsteuerventil eingesetzt zu werden. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Renn zeichnenden Teil des Rauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Der kraftgeregelten Magneten für Proportionalventil anhaftende Nachteil wird hier nicht beseitigt, nämlich dass ein verhältnismässig schwacher Magnet bei kleinem Hub keine grosse Schliesskraft erzeugen kann, sondern es wird seine Eigenart, eine grössere Schliesskraft nur in Verbindung mit einem grösseren Rub aufzubringen, durch den tbertragungshebel soweit den hydraulischen Anforderungen angepasst, dass daraus bei kleinem Arbeitshub des Ventilkörpers sehr hohe Schliesskräfte ableitbar werden. Der Ubertragungshebel untersetzt den grossen Hub des Magneten in einen kleinen Hub für den Ventilkörper, während er gleichzeitig aus einer relativ kleinen Magnet- kraft eine hohe Schliesskraft für den Ventilkörper erzeugt. Damit der Ubertragungshebel diese Funktion ausüben kann, ist es wichtig, wenn er gemäss Fig. 2 angeordnet und schwenkbar abgestützt ist. Das Untersetzungsverhältnis, mit dem der Ubertragungshebel arbeitet, lässt sich durch die seitliche Versetzung zwischen der Lagerstelle und dem Ventilkorper regulieren. Zweckmässig ist ferner, wenn das Merkmal von Anspruch 3 gegeben ist. Hierbei greift der Magnet am Ubertragungshebel mit einem wesentlich grösseren Hebelarm in Bezug auf die Lagerstelle des Ubertragungshebels an, als der Ventilkörper, so dass die gewünschte Ver kürzung des Arbeitshubes für den Schliesskörper bei gleichzeitiger Vergrösserung der Schliesskraft erzielt wird. In besonderen Anwendungsfällen wäre es natürlich auch denkbar, einen relativ kleinen Arbeitshub des Magneten bei grosser Magnetkraft durch den Ubertragungshebel in einen grösseren Schliesshub für den Ventilkörper bei reduzierter Schliesskraft umzuwandeln. Eine weitere, zweckmässige Ausführungsform der Erfindung erläutert Anspruch 4. Bei dieser Ausgestaltung wird ein guter Wirkungsgrad in der Kraftübertragung vom Magneten zum Ventilkörper erreicht. Seitlich gerichtete Komponenten werden, soweit es möglich ist, vermieden, und natürlich die damit verbundenen Rei bungsverluste. Eine baulich und herstellurgstechnisch besonders einfache und preiswerte Ausführungsform der Erfindung erläutert Anspruch 5. Die Balkenstärke ist zweckmässigerweise so bemessen, dass die Ubertragung der Schliesskraft und des Hubes verfälschende Biegungen ausgeschlossen sind. Zweckmässig ist ferner eine Ausführungsform, wie sie aus Anspruch 6 entnehmbar ist. Dadurch lässt sich eine lokale Trennung zwischen dem Ventilkörper und dem Magneten einerseits bewirken, zum anderen liegt zwischen dem Ende des Stiftes und dem tbersetzungshebel nur ein sehr kleiner Kontaktbereich vor, so dass die Reibungsverhältnisse hier vernachlässigbar sind. Wichtig ist auch das Merkmal von Anspruch 7, da durch eine Verstellung der Lagerstelle des tfbertragungshebels eine Veränderung der vom Magneten auf den Ventilkörper ausgeübten Schliesskraft und des Hubes möglich ist, ohne dass sich das Untersetzungsverhältnis verändert. alternativ oder additiv kann auch das Merkmal von An sPruch 8 vorgesehen sein, damit zusätzlich zur vorer zähnen Massnahme auch das Untersetzungsverhältnis unittelbar geändert werden kann. Eine vorteilhafte Ausführungsform schildert auch Anspruch 9. Die Ventilfeder sorgt hier dafür, dass kein Spiel zwischen den die Bewegungen übertragenden Elementen auftreten kann. Die Feder ersetzt hier andere, dafür üblicherweise verwendete Elemente. Wichtig ist auch der in Anspruch 10 erläuterte Gedanke, nach dem das elektrohydraulische Proportionalventil gemäss der Erfindung als Hauptsteuerventil eingesetzt wird. Es liegt auf der Eand, dass sich dadurch eine Einsparung erzielen lässt, da kein Vorsteuerventil mit einem Hauptsteuerventil vorgesehen werden muss und da auch der Platz für das Vorsteuerventil eingespart werden kann Infolge der erfindungsgemässen Ausbildung des Proportionalventils kann die Steuerungscharakteristik des kraftgeregelten Magneten hervorragend auch zum direkten Regeln bei hohen Arbeitsdrücken oder/und grossen Durchsätzen in der zu überwachenden Leitung eingesetzt werden, was bisher nicht möglich war. Ein bedeutsamer Gedanke der Erfindung ist schliesslich noch in Anspruch 11 entfalten. Die bekannten Proportionalventile haben nur Einfluss auf kleine Durchsätze, bei denen keine dynamischen Kräfte aus der Strömung entstehen,die das Regelverhalten des Proportionalventils negativ beeinflussen könnten. Das jeweils vom Proportionalventil vorgesteuerte Arbeitsventil hat hingegen so weit bemessene Durchgänge und eine entsprechend abgestimmte mechanische Konzeption, dass bei ihm ebenfalls dynamische Kräfte keinen nennenswerten EinfluB zeigen können. Bei der Verwendung des er findungsgemäss ausgebildeten Proportionalventils in direktem AnschluB an die mit hohem Druck und wechselnden, bis zu 30 L/min und mehr erreichenden, Durchsatz beaufschlagte Leitung ergeben sich aber aus der Strömung dynamische Kräfte am Ventilkörper, die infolge des verhältnismässig engen Durchganges und dem kleinen Offnungshubsdie Kennlinie des Proportionalventils insofern beeinträchtigen könnten, als diese dann nicht mehr zuverlässig und unabhängig vom Leitungsdruck und Durchsatz den Abgabedruck regeln würde. Durch die Anordnung der Kompensationsfläche am Ventilkörper werden die dynamischen Kräfte aus der Strömung dazu benutzt, die Kennlinie des Proportionalventils zu begradigen, so dass diese unabhängig vom jeweiligen Leitungsdruck und Durchsatz arbeitet. Bei den bekannten Proportionalventilen ist zwar auch eine kragenartiger Flansch am Ventilkörper be kannt, jedoch dient dieser nur als Widerlager für eine oder mehrere Ventilfedern. Ausführungsforme des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines elektrohydraulischen Proportionalventils, und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform. Gemäss Fig. 1 ist ein elektrohydraulisches Proportionalventil vorgesehen, das einen Drucknittelzuflusskanal 2 und einen Druckmittelabflusskanal 3 aufweiset, die über einen Ventilsitz 4 miteinander verbunden sind. Mit dem Ventilsitz 4 arbeitet ein Ventilkörper 5 zusammen, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine kegelförmige Spitze 6, einen hinter der Spitze liegenden, kragenartigen Ringflansch 7 und einen sich von diesem nach oben erstreckenden Schaft 8 besitzt. Zwischen dem Ventilsitz 4 und dem Flansch 7 kann eine Ventilfeder (nicht dargestellt) angeordnet sein, die den Ventilkörper in Öffnungsrichtung belastet. Der Schaft durchsetzt eine Bohrung 9 zu einem benachbarten Raum im mit 19 bezeichneten Gehäuse des Ventils, der zusätzlich noch über eine Ausgleichsbohrung 10 mit dem Raum hinter dem Ventilsitz 4 in Strömungsverbindung steht. Auf einem Lagerbock 11 ist eine Schwenklagerstelle 12 für einen balkenartigen Übertragungshebel vorgesehen, der auf dem Ende des Schaftes 8 aufliegt und sich bis zu einem Betätigungselement 14 erstreckt, das von oben auf ihm lastet. Das Betätigungselement 14 gehört zu einem kraftgeregelten Magneten 15, der in einer Spule 16 auf-und ab-beweglich geführt ist. Die Spule 16 kann über Leitungen 17 wahlweise so erregt werden (mit Gleichstrom oder auch Wechselstrom), dass der Magnet 15 einen bestimmten Hub vollführt und dabei eine bestimmte Kraft ausübt. Solche Magneten sind üblicherweise dadurch gekennzeichnet, dass bei ihnen das Produkt aus Hub x Kraft konstant bleibt. Wenn allerdings der Hub zu klein wird, kann der Magnet die dieser Gleichung entsprechende hohe Kraft nur dann ausüben, wenn er ausserordent lich kräftig und damit grossbauend ausgebildet ist. Da jedoch hier der Ubertragungshebel 13 den Arbeitshub des Magneten 15 verkleinert und dabei die von ihm ausgeübte Kraft vergrössert an den Ventilkörper 5 weitergibt, lässt sich für diesen auch bei extrem kleinem Hub eine ausserordent- lich hohe Schliesskraft erreichen, so dass das Ventil als Hauptsteuerventil eingesetzt werden kann und bei einer Durchgangsweite von nur 3,2 mm im Bereich des Ventilsitzes 4 Arbeitsdrücke bis zu 300 bar bei einem Durchsatz bis zu 30 Liter/min. verarbeiten kann. Die Grösse der tatsächlichen Schliesskraft am Ventilkörper 5 ist abhängig von der Versetzung V2 zwischen den Schwenklager 12 und dem Schaft 8 und lässt sich durch eine Verstellung des Lagerbockes II verändern. Die Gesamtuntersetzung sowohl des Hubes als auch der Kraft zwischen dem Magneten 15 und dem Ventilkörper 5 kann durch Ver änderung der Versetzung V1 zwischen dem Magneten 15 und dem Ventilkörper 5 verändert werden. Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Pro portionalventils 20, das aus einem Gehäuseunter- teil 21, einem Gehäusemittelteil 22 und einem darauf aufgesetzten Gehäuseoberteil 23 besteht. Der Ventilsitz 4 wird durch einen Einsatz 24 in dem Zufluss gebildet. Der Ventilkörper besteht hier aus einer Kugel 25, die von einem becherförmigen Druckstück 26 gefasst wird, welches mit seiner Verlängerung durch einen Einsatz 30 hindurch gegen die Unterseite des Ubertraguagshebels 13 anliegt. Gegen die Kugel 25 drückt von unten ein Stössel 27, der unter der Kraft einer Ventllf eder 28 steht, welche in einem Einsatz 29 untergebracht ist und den Ventilkörper 25, 26 gegen den Hebel 13 presst Dieser wird durch diese Kraft wiederum gegen einen Stift 27 am Betätigungselement 14 des Magneten 15 angelegt, so dass kein Spiel zwischen den einzelnen, zusaninenarbeitenden Teilen entstehen kann. Die Unterseite des Flansches 7 (Fig. 1) oder die Unterseite des becherförmigen Druckstückes 26 (Fig.2) bilden quer zur Strömungsrichtung durch den Ventilsitz 4 verlaufende Kompensationsflächen, an denen dynamische Kräfte aus der Druckmittel strömung angreifen. Diese Kräfte überlagern sich mit denstatischen Kräften und führen zu dem wünschenswerten Vorteil einer annähernd geraden Kennlinie für das Proportionalventil, d.h., dieses regelt dann den eingestellten Druck nahezu vollständig unabhängig vom Druck in der zu überwachenden Leitung und auch vom jeweiligen Durchsatz.

Claims: Elektrohydraulisches Proportionalventil P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektrohydraulisches Proportionalventil, mit einem kraftgeregelten magneten, der zur Beeinflussung der Ventilschliesskraft und des Hubes auf einen Ventil körper einwirkt, der in einem Gwhäusedurchgang zwischen einem Druckmittelzufluss und einem -abfluss angeordnet ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen den Magneten (15) und dem Ven tilkörper (5, 25, 26) ein Übertra@ungshebel (13) angeordnet ist, mit dem bei relativ kleiner Magnet- kraft ein relativ grosser Magnethub in eine relativ grosse Schliesskraft bei relativ kleinem Hub des Ven tilkörpers urnwandelba ist. 2. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ubertragungshebel (13) in einer geneuselesten Lager stelle (12, 11) schwenkbar abgestützt ist, die gegen über dem Ventilkörper (5, 25, 26) seitlich versetzt ist. 3. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den An sprüchen 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Magnet (15) an ubertragungshebel (13) zum Ventilkörper (5, 25, 26) relativ seitlich ver setzt angreift. 4. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den An sprüchen 1 bis 3, dadurch g e L e r r z e i c h n e t , dass der Übertragungshebel (13) durch ein Be tätigungselement (14, 27) des Magneten (15) in einer Ebene verschwenkbar ist, in der die Rubbewegung des Ventilkörpers ( 5, 25) erfolgt, und dass der Ubertra- gungshebel den Ventilkörper zwischen seiner Schwenk lagerstelle (12) und den Angriffsbereich des Betäti gungselementes (14) beaufschlagt. 5. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den An sprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Übertragungshebel (13) balkenförmig ausgebildet ist und mit seiner Unterseite auf dem Ventilkörper (5) oder einem an diesem angreifenden Element (26) aufliegt, und dass auf seiner Oberseite das Betätigungselement (14, 27) oder der Magnet (15) aufliegt. 6. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den Ansprüchen 4 Ilnd 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Betätigungselement ein Druckstift (27) ist. 7. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lagerstelle (11, 12)-des Ubertra- gungshebels (13) verstellbar ist. 8. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach An spruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass das Mass der Versetzung (V1) zwischen dem Ventil körper (5) und dem Magneten (15) veränderbar ist. 9. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass den VentilKörper (25, 26) eine Feder (28) in Öffnungsrichtung belastet, die den Ventil körper in Anlage am Übertragungshebel (13) und die sen in Anlage am Magneten oder dessen Betätigungs element hält. 10. Verwendung des elektrohydraulischen Proportionalven teils gemäss den Ansprüchen 1 bis 9 als Hauptsteuer ventil,das ohne Zwischenschaltung eines Hilfssteuer organs zur Druckregelung bzw. Druckminderung direkt an die zu überwachende Leitung angeschlossen ist. 11. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach den An sprüchen 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass am Ventilkörper (5; 25, 26) eine in zea quer zur Durchströmrichtung durch den Ventilsitz (4) verlaufende Kompensationsfläche (7) für dynamische Strömungskräfte bei sich änderndem Durchsatz vor gesehen ist.

Inventors: BRUNNER, RUDOLF
Applicants: HEILMEIER & WEINLEIN FABRIK FUR OEL-HYDRAULIK GMBH & CO. KG
Application year: 1981
Main classification: F16K31
IPC codes: F16K31