DE102014006863B4

DE102014006863B4 - Elektromechanische Ventilverstellung

Info

Publication number: DE102014006863B4
Application number: DE102014006863.3A
Authority: DE
Inventors: Marc Leinweber; Wiktor Wojcik; Jürgen Schonlau; Markus Ermert; Benjamin Ginsberg; René Schulz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2014-05-10
Filing date: 2014-05-10
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2034-05-11
Also published as: DE102014006863A1

Abstract

Ein elektromechanisches Stellsystem (1) zur proportionalwirkenden Verstellung eines Hydraulikventils (2) enthält ein Gehäuse (3) mit einer geringeren oder gleichen Breite wie das Hydraulikventil (2), einen Elektromotor (4), ein mechanisches Getriebe (5) zur Wandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung eines Koppelelements (6) und eine elektrische Steuerung (7) und ist dadurch gekennzeichnet, dassdas Getriebe (5) einstufig ausgeführt ist und in Achsrichtung einseitig oder beidseitig neben dem Elektromotor (4) angeordnet ist,wobei bei einer Anordnung des Getriebes (5) einseitig neben dem Elektromotor (4) das Koppelelement (6) gekröpft ausgeführt ist,und wobei bei einer Anordnung des Getriebes (5) als zwei parallelwirkende Teilgetriebe (10, 11) beidseitig neben dem Elektromotor (4) das Koppelelement (6) zwei Stangen (8) aufweist, die in die Teilgetriebe (10, 11) eingreifen und in ein gemeinsames Schubelement (9) münden, das mit dem Hydraulikventil (2) gekoppelt ist,und wobei das Getriebe (5) als Zahnrad- oder Kurvengetriebe aufgeführt ist, das Bewegungen und Kräfte in Zug- und Druckrichtung des Koppelelements (6) senkrecht zur Achse des Elektromotors (4) überträgt, und wobei das Gehäuse (3) zentrisch zu dem Hydraulikventil (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Verstelleinrichtung für Hydraulikventile, die in Baumaschinen, Landmaschinen und fahrenden Arbeitsgeräten eingesetzt werden, entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Die Druckschriften DE 102009058717 A1 , US 8427095 B2 , DE 202007017894 U1 und US 7591448 B2 beschreiben elektromechanische Verstelleinrichtungen für Hydraulikventile.
Weitere elektromechanische Verstelleinrichtungen sind in den Druckschriften DE 19948379 A1 , DE 102008010571 A1 und DE 102005006864 A1 beschrieben. Die Verstelleinrichtung gemäß der DE102009058717A1 ist wegen des getrennten Aufbaus der beiden Motorteile aufwändig herzustellen.
Die Verstelleinrichtung gemäß der DE 202007017894 U1 und der US 7591448 B2 sind wegen der Bauart des Elektromotors aufwändig herzustellen und weisen eine Getriebebauart mit ungünstig eingeschränkter Übersetzung auf, was den Auswahlbereich der Stellkraft begrenzt.
Die Verstelleinrichtung gemäß US 8427095 B2 eignet sich nicht zum Anbau an eine Mehrzahl von solchen Hydraulikventilen, wie sie in diesem Anwendungsfeld üblich sind, weil die Bauform des Elektromotors es erzwingt, dass die Verstelleinrichtung breiter ist als das angesteuerte Hydraulikventil.
Aufgabe
Diese Erfindung soll eine Verstelleinrichtung beschreiben, die nur so breit wie das angesteuerte Hydraulikventil oder schmaler ist und dabei eine ausreichend hohe Stellkraft mit einer erheblichen Reserve für die Beschleunigung des Elektromotors aufweist sowie in hohen Stückzahlen günstig herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs beschrieben, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Breite des Hydraulikventils wird dadurch erreicht, dass der Elektromotor als sehr flacher Motor ausgeführt ist und mit seiner Welle in der Richtung der Gehäusebreite ausgerichtet ist. Das ermöglicht auch die Anwendung eines Elektromotors mit recht großem Luftspaltdurchmesser, der ein hohes Drehmoment erzeugen kann.
Vorteilhafterweise wird dieser Elektromotor mit einem sehr flachbauenden Getriebe verbunden, das einseitig oder beidseitig neben dem Elektromotor angeordnet ist.
Als flachbauende Elektromotoren eignen sich vor allem Schrittmotoren und lagegeregelte Synchronmotoren, unter anderem ausgeführt als Transversalflussmotoren mit Klauenpolen, bei denen die die Achse der Statorwicklungen mit der Motorachse zusammenfällt. Die Rotoren der Elektromotoren sind vorteilhafterweise mit Permanentmagneten bestückt. Da die Elektromotoren elektronisch kommutiert werden, entfällt ein Kollektor.
Das Gehäuse der Verstelleinrichtung ist so breit wie das zu verstellende Ventil oder schmaler, damit mehrere nebeneinander angeordnete Ventile mit Verstelleinrichtungen versehen werden können. Dabei ist ein seitlicher Versatz der Gehäuse zu den Ventilen in einigen Anwendungen hinnehmbar, allerdings ist eine zentrische Anordnung ohne Versatz vorteilhaft, wenn auch andere Verstelleinrichtungen, zum Beispiel mechanische Verstelleinrichtungen, wahlweise angewandt werden sollen, die dann keinen Versatz aufweisen. Vorteilhafterweise enthält das Gehäuse auch die elektrische Steuerung für den bürstenlosen Elektromotor.
Das Getriebe ist gemäß dieser Erfindung einstufig ausgeführt, damit werden niedrige Herstellkosten, ein geringes Spiel, eine geringe Reibung und bei geeigneter Auslegung des Getriebes eine sichere Rückstellung der Verstelleinrichtung durch die Rückstellfedern des Ventils bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung erreicht.
Das Getriebe wandelt die Drehbewegung des Elektromotors in eine Längsbewegung eines Koppelelements, das die Bewegung auf den Schieber des Ventils überträgt.
Das Getriebe ist als Zahnradgetriebe, nämlich als Kombination von Zahnrad und Zahnstange, oder als Kurvengetriebe ausgeführt, wobei das Kurvengetriebe aus einer mit dem Elektromotor verbundenen Kurvenscheibe und eine die Bewegung der Kurvenscheibe abtastenden Klaue besteht. Die Klaue kann in Zug- und Druckrichtung Kräfte übertragen und die Kurvenscheibe ist so gestaltet, dass bei allen Drehwinkeln die Summe beider momentan wirksamen Radien immer gleich bleibt.
Wenn mechanisches Spiel zwischen der Kurvenscheibe und der Klaue vermieden werden soll, ist entweder die Klaue ausreichend elastisch und vorgespannt, oder sie ist mit einer federbelasteten Spannvorrichtung versehen. Wenn im Bereich der Mittelstellung des anzusteuernden Ventils eine geringe Wegübersetzung erforderlich ist, wird die Kurvenscheibe so gestaltet, dass in zwei gegenüberliegenden Winkelbereichen die Radien unterschiedlich groß, aber konstant oder nahezu konstant sind und dass zwischen diesen Rastzonen Übergangskurven angeordnet sind, die abschnittsweise jeweils einer positiven oder negativen quadratischen Funktion des Winkels für den Radius gehorchen.
Anwendung finden erfindungsgemäße Verstelleinrichtungen bei der Ansteuerung von Hydraulikventilen in mobilen Arbeitsmaschinen.
Figurenliste

1: Stellsystem mit versetzter Anordnung, diese Ausführung wird nicht beansprucht
2: Stellsystem mit zentrischer Anordnung und gekröpftem Koppelelement
3: Stellsystem mit zentrischer Anordnung und zwei Teilgetrieben
4: Stellsystem mit einem Elektromotor und einem Kurvengetriebe
5: Abgewickelter Verlauf des Kurvenscheibenradius

Beispielhafte Ausführung
Ein elektromechanisches Stellsystem (1) zur proportionalwirkenden Verstellung eines Hydraulikventils (2) entsprechend enthält ein Gehäuse (3) mit einer geringeren oder gleichen Breite wie das Hydraulikventil, einen Elektromotor (4), ein mechanisches Getriebe (5) zur Wandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung eines Koppelelements (6) und eine elektrische Steuerung (7). Das Getriebe (5) ist einstufig ausgeführt und in Achsrichtung einseitig oder beidseitig neben dem Elektromotor (4) angeordnet. Dabei ist das Getriebe (5) als Zahnrad- oder Kurvengetriebe aufgeführt, das Bewegungen und Kräfte in Zug- und Druckrichtung des Koppelelements (6) senkrecht zur Achse des Elektromotors (4) überträgt.
In einer ersten Ausführung gemäß 2 ist das Getriebe (5) einseitig neben dem Elektromotor (4) angeordnet, wobei das Koppelelement (6) gekröpft ausgeführt ist und das Gehäuse (3) zentrisch zu dem Hydraulikventil (2) angeordnet ist.
In einer zweiten Ausführung gemäß 3 besteht das Getriebe (5) aus zwei parallelwirkenden Teilgetrieben (10), (11) und ist beidseitig neben dem Elektromotor (4) angeordnet. Das Koppelelement (6) weist zwei Stangen (8) auf, die in die Teilgetriebe neben dem Elektromotor (4) eingreifen und in ein gemeinsames Schubelement (9) münden, das mit dem Hydraulikventil (2) gekoppelt ist, wobei das Gehäuse (3) zentrisch zu dem Hydraulikventil angeordnet ist.
Das elektromechanische Stellsystem enthält vorzugsweise einen Elektromotor (4), der als Schrittmotor mit mindestens zwei Statorwicklungen (12) und einem permanent-magnetischen Rotor ausgeführt ist. Dabei sind die Statorwicklungen (12) so ausgeführt, dass ihre Mittelachsen mit der Mittelachse des Rotors zusammenfallen.
Alternativ enthält das elektromechanische Stellsystem einen Elektromotor (4), der als Transversalflussmotor mit Klauenpolen zur Flussleitung und einem permanentmagnetischen Rotor ausgeführt ist. Auch in diesem Fall sind die Statorwicklungen (12) so ausgeführt, dass ihre Mittelachsen mit der Mittelachse des Rotors zusammenfallen.
Das elektromagnetische Stellsystem weist in einer vorteilhaften Ausführung ein Getriebe (5) auf, das aus einem Zahnrad oder aus zwei Zahnrädern und einer Zahnstange oder zwei Zahnstangen besteht.
In einer alternativen Ausführung gemäß 4 besteht das Getriebe (5) aus einer Kurvenscheibe (17) oder aus zwei Kurvenscheiben und einer Klaue (18) oder zwei Klauen, wobei die mindestens eine Klaue Zug- und Druckkräfte auf das Koppelelement (6) überträgt.
Die Kurvenscheibe ist so gestaltet, dass die Summe der beiden wirksamen Radien unabhängig von dem Drehwinkel der Kurvenscheibe immer gleich bleibt.
Dabei kann die mindestens eine Klaue vorteilhafterweise einen federbelasteten Spannmechanismus (19) aufweisen, der ein mechanisches Spiel zwischen der Klaue (18) und der Kurvenscheibe (17) verhindert, oder die Klaue ist ausreichend elastisch und vorgespannt.
Wenn im Bereich der Mittelstellung des anzusteuernden Ventils eine sehr geringe Wegübersetzung erforderlich ist, wird die Kurvenscheibe nach den folgenden Regeln gestaltet:

- Für den Winkelbereich von a=0 bis a=a1 ist der Radius R=R1+E1*a², wobei R1, E1, a1 und a2 Konstantwerte sind
- Für den Winkelbereich von a=a2 bis a=a3 ist der Radius R=R1 +E1 *a²-2*E1 *(a-a2)²
- Für den Winkelbereich von a=a3 bis a=a4 ist der Radius R=R2, wobei sich R2 aus dem Radius des vorhergehenden Winkelbereichs bei a=a3 ergibt
- Für den Winkelbereich von a=a4 bis a=a5 ist der Radius R=R2-R(a-180°)
- Für den Winkelbereich von a=a5 bis a=a6 ist der Radius R=R1

Dabei wird die Kurvenscheibe zur Klaue so eingestellt, dass bei der Mittelstellung des anzusteuernden Ventils die Mitte einer der beiden Rastzonen (R1 oder R2) für den Radius wirksam ist.
5 zeigt beispielhaft den Verlauf der für die Klaue wirksamen vorderen und hinteren Radien RV und RH, wobei die Größen der Rastzonen übertrieben groß dargestellt sind. Aus dem Diagramm ist auch zu erkennen, dass bei der Anwendung der genannten Regeln die Summe der Radien RV und RH für jeden Winkel gleich ist.
Wenn im Bereich der Mittelstellung des anzusteuernden Ventils die Wegübersetzung klein, aber nicht Null werden soll, sind die Rastkurven mit konstantem Radius durch Kurven zu ersetzen, die linear mit dem Winkel veränderliche Radien aufweisen.
Bezugszeichenliste

1.: Stellsystem
2.: Hydraulikventil
3.: Gehäuse
4.: Elektromotor
5.: Getriebe
6.: Koppelelement
7.: Elektrische Steuerung
8.: Stange
9.: Schubelement
10.: Teilgetriebe
11.: Teilgetriebe
12.: Statorwicklung
17.: Kurvenscheibe
18.: Klaue
19.: Spannmechanismus

Claims

Ein elektromechanisches Stellsystem (1) zur proportionalwirkenden Verstellung eines Hydraulikventils (2) enthält ein Gehäuse (3) mit einer geringeren oder gleichen Breite wie das Hydraulikventil (2), einen Elektromotor (4), ein mechanisches Getriebe (5) zur Wandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung eines Koppelelements (6) und eine elektrische Steuerung (7) und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) einstufig ausgeführt ist und in Achsrichtung einseitig oder beidseitig neben dem Elektromotor (4) angeordnet ist, wobei bei einer Anordnung des Getriebes (5) einseitig neben dem Elektromotor (4) das Koppelelement (6) gekröpft ausgeführt ist, und wobei bei einer Anordnung des Getriebes (5) als zwei parallelwirkende Teilgetriebe (10, 11) beidseitig neben dem Elektromotor (4) das Koppelelement (6) zwei Stangen (8) aufweist, die in die Teilgetriebe (10, 11) eingreifen und in ein gemeinsames Schubelement (9) münden, das mit dem Hydraulikventil (2) gekoppelt ist, und wobei das Getriebe (5) als Zahnrad- oder Kurvengetriebe aufgeführt ist, das Bewegungen und Kräfte in Zug- und Druckrichtung des Koppelelements (6) senkrecht zur Achse des Elektromotors (4) überträgt, und wobei das Gehäuse (3) zentrisch zu dem Hydraulikventil (2) angeordnet ist.
Elektromechanisches Stellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) als Schrittmotor oder lagegeregelter Synchronmotor mit mindestens zwei Statorwicklungen (12) und einem permanent-magnetischen Rotor ausgeführt ist, wobei die Mittelachsen der Statorwicklungen mit der Mittelachse des Rotors zusammenfallen.
Elektromechanisches Stellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) als bürstenloser Transversalflussmotor mit Klauenpolen zur Flussleitung, mindestens zwei Statorwicklungen (12) und einem permanentmagnetischen Rotor ausgeführt ist, wobei die Mittelachsen der Statorwicklungen (12) mit der Mittelachse des Rotors zusammenfallen.
Elektromechanisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) aus einem Zahnrad oder aus zwei parallelwirkenden Zahnrädern und einer Zahnstange oder zwei parallelwirkenden Zahnstangen besteht.
Elektromechanisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) aus einer Kurvenscheibe (17) oder aus zwei Kurvenscheiben (17, 17') und einer Klaue (18) oder zwei Klauen (18, 18') besteht, wobei die mindestens eine Klaue (18) Zug- und Druckkräfte auf das Koppelelement (6) überträgt und wobei die Kurvenscheibe (17) so gestaltet ist, dass eine Summe der beiden für die berührenden Bauelementen der Klaue (18) wirksamen Radien auf der Kurvenscheibe (17) unabhängig von einem Drehwinkel der Kurvenscheibe (17) immer gleich bleibt.
Elektromechanisches Stellsystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Klaue (18) einen federbelasteten Spannmechanismus (19) aufweist, der ein mechanisches Spiel zwischen der Klaue (18) und der Kurvenscheibe (17) verhindert.
Elektromechanisches Stellsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der wirksamen Radien der Kurvenscheibe (17) so gestaltet ist, dass in zwei gegenüberliegenden Winkelbereichen die Radien unterschiedlich groß, aber konstant sind und dass zwischen diesen Rastzonen Übergangskurven angeordnet sind, die abschnittsweise jeweils einer positiven oder negativen quadratischen Funktion des Winkels für den Radius gehorchen.