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Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung zur Betätigung eines hydraulischen Stellantriebes, mit einem Magnetsteuerventil, das einen in einem Ventilgehäuse axialbeweglichen Steuerkolben aufweist, der mittels eines einzigen, einseitig an dem Magnetsteuerventil angeordneten Elektromagneten, dessen mit dem Steuerkolben verbundener Ankerkern als Permanentmagnet ausgebildet ist, in mehr als zwei Schaltstellungen, nämlich eine erste axiale Endstellung, eine zweite axiale Endstellung und wenigstens eine axial zwischen der ersten axialen Endstellung und der zweiten axialen Endstellung gelegene mittlere Schaltstellung überführbar ist, wobei der Steuerkolben im stromlosen Zustand des Magnetsteuerventils mittels Federkraft in einer Ruhestellung haltbar ist.
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Derartige Steuerungsvorrichtungen sind bekannt aus der
US 4 071 042 A .
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Zur Steuerung hydraulischer Stellantriebe werden häufig Magnetsteuerventile verwendet, die jeweils einseitig mit einem einzigen Elektromagneten versehen sind, der aus einer gehäusefesten Magnetspule und einem beweglichen Ankerkern besteht, wobei der Ankerkern als Weicheisenkern ausgebildet und mit dem betreffenden Steuerkolben verbunden ist. Durch das Anlegen einer Spannung an die Magnetspule und eine Steuerung des durch die Spule fließenden elektrischen Stroms wird der Ankerkern und damit der Steuerkolben mehr oder weniger weit gegen die Rückstellkraft einer Feder aus einer Ruhestellung in Richtung der Magnetspule in eine andere Schaltstellung bewegt. Damit werden bei einer Ausbildung des Magnetsteuerventils als Schaltventil verschiedene singuläre Schaltstellungen eingestellt, in denen vorhandene Ein- und Ausgänge in vorgegebener Weise miteinander verbunden oder abgesperrt sind, und bei einer Ausbildung des Magnetsteuerventils als Proportionalventil zusätzlich Ein- und Ausgänge verbindende Strömungsquerschnitte zur Regelung eines Durchflussvolumenstromes und/oder eines ausgangsseitigen Arbeitsdruckes stetig geöffnet bzw. geschlossen. Derartige Magnetsteuerventile haben jedoch den Nachteil, dass sich der jeweilige Steuerkolben bei stromloser Magnetspule, d. h. im Ruhezustand bzw. im Störungsfall, in der entsprechenden, durch einen Anschlag vorgegebenen Endstellung befindet bzw. durch die Feder in diese bewegt wird. Dies ist jedoch für eine Anwendung mit einer Bewegungsumkehr des zugeordneten Stellantriebes von Nachteil, da bei einer Umschaltung von einer Druckbeaufschlagung eines Druckraumes des Stellantriebes auf Drucklosschaltung aus steuerungstechnischer Sicht und zur Vermeidung von Leckagen eine mittlere Schaltstellung, in der die Ein- und Ausgänge abgesperrt sind, als Ruhestellung wesentlich vorteilhafter ist. So kehrt ein Magnetsteuerventil bzw. der betreffende Steuerkolben dann bei einer gesteuerten oder störungsbedingten Abschaltung der elektrischen Spannung und des Steuerstromes der Magnetspule mit Federkraft, d. h. durch beidseitig des Steuerkolbens angeordnete und gegensinnig auf diesen einwirkende Federn, selbsttätig in die Ruhestellung zurück, und die zuletzt eingestellte Position des Stellantriebes wird zumindest für eine gewisse Zeitspanne beibehalten.
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Magnetsteuerventile, bei denen als Ruhestellung eine mittlere Schaltstellung vorgesehen ist, sind beispielsweise aus der
DE 32 27 423 C2 und der
DE 197 28 850 A1 bekannt. In der
DE 32 27 423 C2 wird das betreffende Magnetsteuerventil in einer Vorrichtung zur Steuerung eines doppeltwirksamen Stellzylinders einer hydrostatischen Antriebsvorrichtung verwendet, in der
DE 197 28 850 A1 bezieht sich die Anwendung des Magnetsteuerventils auf eine Steuerungsvorrichtung einer hydraulisch betriebenen Stellvorrichtung, die ebenfalls als doppeltwirksamer Stellzylinder ausgebildet ist. Das Magnetsteuerventil ist jeweils als 4/3-Wege-Ventil mit zwei Eingängen, zwei Ausgängen und drei Schaltstellungen ausgebildet ist, bei dem in einer ersten Endstellung der erste Eingang mit dem ersten Ausgang und der zweite Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, in der mittleren, als Ruhestellung wirksamen Schaltstellung alle Ein- und Ausgänge abgesperrt oder die beiden Eingänge miteinander verbunden sind, und zur Umkehrung der Bewegungsrichtung des Stellantriebes in einer zweiten Endstellung der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang und der zweite Eingang mit dem ersten Ausgang verbunden ist, und bei dem jeweils mittelbar oder unmittelbar der erste Eingang über eine Druckleitung mit einer Druckversorgung (Ölpumpe), der zweite Eingang über eine Drucklosleitung mit einem Ölsumpf, der erste Ausgang mit einem ersten Druckraum des Stellantriebes, und der zweite Ausgang mit einem zweiten Druckraum des Stellantriebes in Verbindung steht. Nachteilig an der jeweiligen Steuerungsvorrichtung bzw. dem betreffenden Magnetsteuerventil ist der Umstand, dass auf beiden Seiten des Steuerkolbens jeweils ein Elektromagnet mit Weicheisenkern und zugeordneten Steuerleitungen angeordnet ist, wobei jeweils jeder der beiden Elektromagnete für eine Bewegungsrichtung des Steuerkolbens zuständig ist. Hieraus ergeben sich relativ hohe Herstellungs- und Materialkosten und ggf. bei beengten Einbauverhältnissen auch Montageschwierigkeiten.
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Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der ohne eine Einschränkung der Funktionalität die vorher genannten Nachteile vermieden werden.
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Das Problem wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Ruhestellung der wenigstens einen mittleren Schaltstellung entspricht und im bestromten Zustand, ausgehend von der Ruhestellung, durch entsprechende Polung der Stromflussrichtung durch eine Magnetspule des Elektromagneten beide axiale Bewegungsrichtungen des Steuerkolbens realisierbar sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 aufgeführt.
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Durch die Verwendung eines Elektromagneten mit einem Permanentmagneten als Ankerkern können an dem Magnetsteuerventil durch Umpolen bzw. Umschalten der Spannungs- und Stromflussrichtung an der Magnetspule des Elektromagneten vorteilhaft beide Bewegungsrichtungen des Steuerkolbens mit einem einzigen Elektromagneten realisiert werden. Somit werden ein Elektromagnet und die zugeordneten Steuerleitungen eingespart. Auch wird dadurch die Baulänge des Magnetsteuerventils verkürzt, was günstig bei einer Anwendung unter beengten Platzverhältnissen ist. Auch im vorliegenden Fall kehrt das Magnetsteuerventil im stromlosen Zustand selbsttätig in die als Ruhestellung vorgesehene mittlere Schaltstellung zurück, so dass keine Einschränkung der Funktionalität des Magnetsteuerventils und der betreffenden Steuerungsvorrichtung zu verzeichnen ist.
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Das Magnetsteuerventil kann je nach Verwendungszweck und Ausbildung der Steuerungsvorrichtung als Schalt- bzw. Sitzventil mit singulären Schaltstellungen oder als Proportional- bzw. Schieberventil ausgebildet sein.
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Bei einer Anwendung in einer Schaltsteuerung eines automatisierten Schaltgetriebes mit doppeltwirksamen Stellzylindern als Gangsteller, d. h. als Wählsteller zum Einstellen einer von drei Schaltgassen oder als Schaltsteller zum Ein- und Auslegen von einem oder zwei einer Schaltgasse zugeordneten Gängen, ist das Magnetsteuerventil zweckmäßig als 4/3-Wege-Ventil mit zwei Eingängen, zwei Ausgängen und drei Schaltstellungen ausgebildet, bei dem in einer ersten Endstellung der mit der Druckversorgung verbundene erste Eingang mit dem ersten Ausgang und der mit dem Ölsumpf verbundene zweite Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, in der mittleren, als Ruhestellung wirksamen Schaltstellung alle Ein- und Ausgänge abgesperrt sind, und in einer zweiten Endstellung der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang und der zweite Eingang mit dem ersten Ausgang verbunden ist, wobei der erste Ausgang mit einem ersten Druckraum des Stellzylinders, und der zweite Ausgang mit einem zweiten Druckraum des Stellzylinders in Verbindung steht. Der Stellzylinder kann dabei wahlweise als Gleichlaufzylinder mit gleich großen mit den Druckräumen in Kontakt stehenden Wirkflächen oder als Differenzflächenzylinder mit unterschiedlich großen Wirkflächen ausgebildet sein.
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Wird einer der beiden Druckräume eines doppeltwirksamen Stellzylinders von einem Konstantdruck beaufschlagt oder der betreffende Wirkdruck bzw. Volumenstrom in anderer Weise separat gesteuert, so kann das zugeordnete Magnetsteuerventil, mit dem der andere der beiden Druckräume gesteuert werden soll, vorteilhaft als 3/3-Wege-Ventil mit zwei Eingängen, einem Ausgang und drei Schaltstellungen ausgebildet sein, bei dem in einer ersten Endstellung der mit der Druckversorgung verbundene erste Eingang mit dem Ausgang verbunden und der mit dem Ölsumpf verbundene zweite Eingang abgesperrt ist, in der als Ruhestellung wirksamen mittleren Schaltstellung die beiden Eingänge und der Ausgang abgesperrt sind, und in einer zweiten Endstellung der erste Eingang abgesperrt und der zweite Eingang mit dem Ausgang verbunden ist, wobei der Ausgang mit dem betreffenden Druckraum des Stellzylinders in Verbindung steht. Ein derartig ausgebildetes Magnetsteuerventil kann auch zweckmäßig zur Steuerung eines einfachwirkenden Stellzylinders mit einem einzigen Druckraum verwendet werden, der zum Beispiel als Kupplungssteller einer automatisierten passiv schließbaren Motorkupplung vorgesehen sein kann. In diesem Fall erfolgt eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Kupplungsstellers durch eine Drucklosschaltung des Druckraumes unter der Wirkung der Rückstellkraft der Anpressfeder der Motorkupplung.
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Das erfindungsgemäße Magnetsteuerventil kann auch mehr als drei Schaltstellungen aufweisen, wobei bei ungerader Anzahl der Schaltstellungen, z. B. fünf, vorteilhaft die mittlere Schaltstellung als Ruhestellung vorgesehen ist. Bei gerader Anzahl der Schaltstellungen, z. B. vier, sollte eine der beiden mittleren Schaltstellungen als Ruhestellung verwendet werden, wobei diese im stromlosen Zustand durch zwei Federn unterschiedlicher Federsteifigkeit eingestellt werden kann, die beidseitig auf den Steuerkolben wirksam angeordnet sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung dienen. Hierzu zeigen:
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1 den Aufbau einer typischen Steuerungsvorrichtung eines hydraulischen Stellantriebes mit einem Magnetsteuerventil in vereinfachter Darstellung und
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2a/b einen Steuerkolben mit einem Elektromagneten eines Magnetsteuerventils sowie einem zugeordneten Durchflussdiagramm.
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Die Steuerungsvorrichtung 1 nach 1 umfasst im wesentlichen einen hydraulischen Stellantrieb 2 und ein zugeordnetes Magnetsteuerventil 3. Der Stellantrieb 2 ist vorliegend ein doppeltwirkender Stellzylinder 4, der als Gleichlaufzylinder mit zwei gleich großen Wirkflächen 5, 6 eines Stellkolbens 7 ausgebildet ist, die jeweils mit einem zugeordneten Druckraum 8, 9 in Kontakt stehen. Durch eine entsprechende Beeinflussung des in den Druckräumen 8, 9 wirksamen Druckes und der in die Druckräume 8, 9 ein- bzw. aus diesen ausfließenden Volumenströme eines Druckmittels (Hydrauliköl) wird der Stellkolben 7 zusammen mit einer zugeordneten Kolbenstange 10 in seiner Position gehalten oder nach rechts 11 oder links 12 axial 13 verschoben. Bei einer Verwendung des Stellantriebes 2 als Gangsteller eines automatisierten Schaltgetriebes kann die Kolbenstange 10 beispielsweise über eine Schaltschiene oder unmittelbar mit einer mit einer Schaltmuffe in Eingriff befindlichen Schaltgabel verbunden sein, so dass dann durch eine Axialverschiebung 13 des Stellkolbens 7 jeweils einer von zwei zugeordneten Gängen ein- und auslegbar ist.
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Zur Steuerung des Stellantriebes 2 ist dem Stellzylinder 4 das Magnetsteuerventil 3 vorgeschaltet, das vorliegend beispielhaft als ein 4/3-Wege-Proportionalventil 14 mit zwei Eingängen 15, 16, zwei Ausgängen 17, 18 und drei Schaltstellungen 19, 20, 21 ausgebildet ist. In einer ersten Endstellung 19 ist der erste Eingang 15 mit dem ersten Ausgang 17 und der zweite Eingang 16 mit dem zweiten Ausgang 18 verbunden. In der mittleren Schaltstellung 20, die als Ruhestellung wirksam ist, sind alle Ein- und Ausgänge 15–18 abgesperrt. In einer zweiten Endstellung 21 ist der erste Eingang 15 mit dem zweiten Ausgang 18 und der zweite Eingang 16 mit dem ersten Ausgang 17 verbunden. Der erste Eingang 15 steht über eine Druckleitung 22 mittelbar oder unmittelbar mit einer Ölpumpe 23 in Verbindung, durch die das Druckmittel aus einem Ölsumpf 24a in die Druckleitung 22 förderbar ist. Der zweite Eingang 16 ist über eine Drucklosleitung 25 mittelbar oder unmittelbar mit dem Ölsumpf 24b verbunden. Der erste Ausgang 17 steht über eine erste Verbindungsleitung 26 mit dem ersten Druckraum 8 des Stellzylinders 4 und der zweite Ausgang 18 über eine zweite Verbindungsleitung 27 mit dem zweiten Druckraum 9 des Stellzylinders 4 in Verbindung. Somit wird der Stellkolben 7 des Stellzylinders 4 zusammen mit der Kolbenstange 10 in der ersten Endstellung 19 des Magnetsteuerventils 3 nach rechts 11 bewegt, in der mittleren Schaltstellung 20 in der aktuellen Position gehalten, und in der zweiten Endstellung 21 nach links 12 bewegt, wobei sich in den jeweiligen Zwischenpositionen des Magnetsteuerventils 3 durch die Drosselung der Durchflussmengen entsprechend geringere Stellkräfte und kleinere Stellgeschwindigkeiten an dem Stellkolben 7 einstellen.
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Zur Steuerung des Magnetsteuerventils 3 in die Schaltstellungen 19, 20, 21 und in die jeweiligen Zwischenpositionen sind zwei Federn 28, 29 und ein Elektromagnet 30 vorgesehen. Die Federn 28, 29 sind weitgehend identisch ausgebildet und beiderseits auf einen Steuerkolben 31 des Magnetsteuerventils 3 wirksam angeordnet, so dass das Magnetsteuerventil 3 im stromlosen Zustand des Elektromagneten 30 selbsttätig in die mittlere Schaltstellung 20 (Ruhestellung) zurückkehrt bzw. in dieser verbleibt. Der Elektromagnet 30 weist eine gehäusefeste Magnetspule 32 und einen mit dem Steuerkolben 31 verbundenen Ankerkern 33 auf, der als Permanentmagnet 34 mit einem magnetischen Nordpol N und einem magnetischen Südpol S ausgebildet ist. Hierdurch können im Gegensatz zu bekannten Magnetsteuerventilen, bei denen jeweils beidseitig ein Elektromagnet mit Weicheisenkern vorgesehen ist, beide Bewegungsrichtungen 35, 36 des Steuerkolbens 31 mit einem einzigen Elektromagneten 30 realisiert werden. Somit sind vorteilhaft ein zweiter Elektromagnet und zugeordnete Steuerleitungen eingespart. Auch kann sich dadurch eine kürzere Baulänge des Magnetsteuerventils 3 ergeben, was bei einer Anwendung unter beengten Platzverhältnissen von Vorteil ist.
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Magnetsteuerventils 3 ist in 2a der Steuerkolben 31 mit dem Elektromagneten 30 (Magnetspule 32 und Ankerkern 33) vereinfacht dargestellt. In 2b ist das zugeordnete Durchflussdiagramm abgebildet, wobei die durchgezogene Kurve 37 für den ersten Ausgang 17 bzw. den ersten Druckraum 8 des Stellzylinders 4 und die unterbrochene Kurve 38 für den zweiten Ausgang 18 bzw. den zweiten Druckraum 9 des Stellzylinders 4 gilt. Ausgehend von der als Ruhestellung wirksamen mittleren Schaltstellung 20 (Kolbenposition X = 0) ergibt sich bei einer Bewegung 35 des Steuerkolbens 31 in Richtung der ersten Endstellung 19 (Kolbenposition X = –1) für der ersten Ausgang 17 eine Öffnung und Vergrößerung des, Drosselquerschnitts, über den Druckmittel aus der Druckleitung 22 zufließt, und somit ein ansteigender positiver Volumenstrom Q. Bei einer Bewegung 36 des Steuerkolbens 31 in die entgegengesetzte Richtung, d. h. in Richtung der zweiten Endstellung 21 (Kolbenposition X = +1), ergibt sich für den ersten Ausgang 17 entsprechend eine Öffnung und Vergrößerung des Drosselquerschnitts, über den Druckmittel in die Drucklosleitung 25 abfließt, und damit ein ansteigender negativer Volumenstrom Q. Bezogen auf den zweiten Ausgang 18 bzw. den zweiten Druckraum 9 gilt entsprechend der unterbrochenen Kurve 38 sinngemäß der umgekehrte Zusammenhang zwischen der Kolbenposition X und dem Volumenstrom Q.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerungsvorrichtung
- 2
- (hydraulischer) Stellantrieb
- 3
- Magnetsteuerventil
- 4
- (doppeltwirkender) Stellzylinder
- 5
- Wirkfläche
- 6
- Wirkfläche
- 7
- Stellkolben
- 8
- (erster) Druckraum
- 9
- (zweiter) Druckraum
- 10
- Kolbenstange
- 11
- rechts
- 12
- links
- 13
- Axialverschiebung
- 14
- 4/3-Wege-Proportionalventil
- 15
- (erster) Eingang
- 16
- (zweiter) Eingang
- 17
- (erster) Ausgang
- 18
- (zweiter) Ausgang
- 19
- Schaltstellung, erste Endstellung
- 20
- (mittlere) Schaltstellung, Ruhestellung
- 21
- Schaltstellung, zweite Endstellung
- 22
- Druckleitung
- 23
- Ölpumpe
- 24a
- Ölsumpf
- 24b
- Ölsumpf
- 25
- Drucklosleitung
- 26
- erste Verbindungsleitung
- 27
- zweite Verbindungsleitung
- 28
- Feder
- 29
- Feder
- 30
- Elektromagnet
- 31
- Steuerkolben
- 32
- Magnetspule
- 33
- Ankerkern
- 34
- Permanentmagnet
- 35
- Bewegungsrichtung
- 36
- Bewegungsrichtung
- 37
- (durchgezogene) Kurve
- 38
- (unterbrochene) Kurve
- N
- magnetischer Nordpol
- Q
- Volumenstrom
- S
- magnetischer Südpol
- X
- Kolbenposition