DE4431600A1 - Jet-Pipe Stufe mit interner Fluidversorgung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Jet-Pipe- oder Strahlrohrstufe, insbesondere zur Verwendung als Vorsteuerstufe eines Servoventils.

Auf dem Gebiet der Proportional- und Servoventile sind bereits unterschiedliche Antriebsbauformen bekannt. Gemäß einer Bauform wird eine Düse/Prallplatte-Konstruktion und gemäß einer anderen Bauform wird eine Jet-Pipe-Konstruk­ tion vorgesehen, wobei diese Bauformen unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile besitzen.

Bekanntlich wird bei dem Jet-Pipe- oder Strahlrohrver­ stärker, also einem hydraulischen Verstärker, Hilfsener­ gie in der Form eines unter Druck stehenden Steueröl­ stroms in ein bewegliches Rohr geleitet, welches an sei­ nem einen Ende eine Strahldüse trägt. Gegenüber der Strahldüse befinden sich zwei Auffangdüsen, in denen die kinetische Energie des mit großer Geschwindigkeit aus der Strahldüse austretenden Steueröls zurückgewonnen wird. Die Auffangdüsen sind mit den Steuerräumen der zweiten oder Hauptstufe eines Servoventils verbunden und beaufschlagen den Hauptkolben dieser zweiten Stufe. Bei ruhendem Strahlrohr herrscht in den beiden Auffangdüsen derselbe Druck, also etwa die Hälfte des Zuführdrucks. Bei Auslenkung des Strahlrohrs erhält die der Auslenkung zugewandte Auffangdüse mehr Energie als die andere. Diese Energie stellt sich entweder in einem Strom zur Fortbewe­ gung des Hauptkolbens oder aber in einem Druck zur Über­ windung von Kräften oder aber in beidem dar. Eine sehr gute Ansprechempfindlichkeit ist für Strahlrohrverstärker kennzeichnend.

Im einzelnen wird beim Strahlrohrverstärker ein Spulen­ permanentmagnetantrieb eingesetzt, der im wesentlichen aus einem Permanentmagneten, einer Steuerspule, Polrohren und dem Anker mit dem Strahlrohr besteht. Die Lagerung erfolgt häufig durch ein Biegerohr, welches gleichzeitig zur Dichtung gegenüber dem Druckmedium dient. Bei Erre­ gung der Steuerspule durch ein Stromsignal wird der Anker entgegen der Federkraft des Biegerohrs ausgelenkt, wobei die Auslenkrichtung von der Polarität des Eingangsstroms bestimmt ist. Das auf das Biegerohr ausgeübte Moment und damit die Auslenkung des Strahlrohrs ist dem Betrag des Steuerstroms proportional. Die Umsetzung der Auslenkung des Strahlrohrs, welches über ein Beschickungsrohr mit Druckmedium versorgt wird, erfolgt also bei dem so gebil­ deten hydraulischen Verstärker in der bereits einleitend erwähnten Art und Weise.

Wie gesagt, erfolgt die Zuführung des Druckmediums zum Strahlrohr üblicherweise über ein Beschickungsrohr, wel­ ches durch den Spulenpermanentmagnetantrieb oder Steuermotor der Strahlrohrstufe verläuft, um das Druckmedium dem Ende des Strahlrohrs zuzuführen, das dem die Strahldüse tragenden Ende des Strahlrohrs gegenüber­ liegt. Dabei ist die Verbindung des Biegerohrs mit dem Anker und Steuermotorblock, sowie des Beschickungsrohrs, was meist durch Löten erfolgt, aufwendig und macht enge Toleranzen (Lötspalt) erforderlich, was wiederum hohe Ko­ sten bedeutet. Ferner sind das dünnwandige Biegerohr so­ wie das Beschickungsrohr häufig der Grund für den Ausfall der Vorsteuerstufe, bedingt durch die hohen Belastungen. Diese Belastungen setzen sich zusammen aus Biegespannun­ gen durch den Arbeitshub, Längs- und Umfangsspannung durch Innendruck und Gefügeveränderungen durch Lötvor­ gang. Ferner besteht durch den Lötvorgang die Gefahr des Zusetzens der Versorgungsbohrungen für die Zuführung des Druckmediums. Die beim Lötvorgang auftretenden Spannungen und die durch die Erwärmung auftretenden Gefügeverände­ rungen des Beschickungsrohres können im Zusammenhang mit den komplexen schwingenden Belastungen zu Löt- bzw. Platzbrüchen führen, was den Totalausfall der Vorsteuer­ stufe bedeutet. Ferner wirkt das Beschickungsrohr wie ei­ ne Bourdonsche Röhre. Dies führt bei unterschiedlichen Systemdrücken zu ungewollten Positionsänderungen des Strahlrohrs (P/N-Schift), welche über die Regelelektronik ständig ausgeglichen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strahlrohrstufe, inbesondere zur Verwendung als Vor­ steuerstufe eines Servoventils derart auszugestalten, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere bezweckt die Erfindung die Strahlrohrstufe derart vorzusehen, daß die Druckmediumzufuhr zum Strahlrohr nicht über den Antrieb hinweg erfolgt. Insbesondere soll im Motorblock der Strahlrohrstufe eine integrierte Strahlrohr-Höhenversorgung vorgesehen wird, und welche den aufwendigen und teueren mechanischen Auf­ bau des Beschickungsrohrs bzw. des Biegerohrs ersetzt und gleichzeitig entscheidende Verbesserungen erzielt.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Strahlrohrverstärker oder die erste Stufe eines Servoventils oder eines Proportionalventils derart auszugestalten, daß sich ein einfacher mechanischer Auf­ bau bei hoher Funktionssicherheit ergibt. Erfindungsgemäß wird das Biegerohr wie auch das Beschickungsrohr ersetzt und es wird eine interne Strömungsmittel- oder Fluidver­ sorgung des Strahlrohrs vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Jet-Pipe- oder Strahlrohrstufe weist gemäß der Erfindung folgendes auf:
einen Steuermotor mit stationären durch ein elektrisches Signal erregbaren Wicklungen und einem Anker, der ent­ sprechend dem elektrischen Signal auslenkbar ist, eine durch den Anker entsprechend dem elektrischen Signal auslenkbare in einem Motorblock des Steuermotors angeordnete Strahldüse,
Zuführmittel, um ein Druckmedium der Strahldüse zuzufüh­ ren,
mindestens zwei Auffangdüsen benachbart angeordnet zur Strahldüse, um entsprechend dem elektrischen Signal mehr oder weniger Druckmedium aufzunehmen, wobei die Druckmit­ telzufuhr zur Strahldüse nicht über den Steuermotor, son­ dern im Bereich des Motorblocks und/oder des Verstärker­ körpers erfolgt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene interne Fluidver­ sorgung des Strahlrohrs und insbesondere auch durch die Dichtung, die vorzugsweise durch O-Ringe vorgesehen wird, ergeben sich bessere Dämpfungseigenschaften und keine Nullpunkt-Druckverschiebung. Der erfindungsgemäße Antrieb zeichnet sich insbesondere durch die geringe Ankermasse aus, was zu einer hohen Gesamtdynamik des gesamten Ven­ tils führt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Servoventil gemäß dem Stand der Technik im Schnitt;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Aus­ führungsbeispiels einer Jet-Pipe- oder Strahlrohr­ stufe gemäß der Erfindung, und zwar im Schnitt;

Fig. 3 eine Einzelheit der Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungs­ beispiels der Erfindung, welches eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ist;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungs­ beispiels der Erfindung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein zweistufiges Wegeservoventil 1, das ei­ nen elektrischen Steuer- oder Torquemotor 3 und einen hy­ draulischen Verstärker 4 als erste Stufe sowie ein Wege­ ventil 5 als zweite Stufe aufweist. Ein Weggeber 6 ist mit dem Wegeventil 5 verbunden.

Der Steuermotor 3 weist in bekannter Weise ein Strahlrohr 7 auf, welches mittels eines nicht näher bezeichneten Biegerohrs angeordnet ist. Ferner ist ein Beschickungs­ rohr 8 vorgesehen, welches Fluid- oder Druckmedium zum oberen Ende des Strahlrohrs 7 transportiert, so daß die­ ses durch eine ebenfalls nicht näher bezeichnete am ande­ ren Ende vorgesehene Strahldüse austreten kann, und zwar in Richtung auf zwei nicht näher bezeichnete Auf­ fangdüsen, die in einer hydraulischen Verstärkerplatte 15 des hydraulischen Verstärkers 4 ausgebildet sind. Diese Auffangdüsen stehen über Kanäle 10 und 11 mit den An­ schlüssen A′ und B′ des Wegeventils 5 in Verbindung. Ein Kanal 9 in der Verstärkerplatte 15 führt den mit PX be­ zeichneten Steuerdruck zum erwähnten oberen Ende des Strahlrohrs 7. Ein Kanal 16 führt, wie gezeigt, Druckme­ dium zum Kanal 9. Ein Kanal 14 ist mit dem Rückleitungs­ anschluß R verbunden und führt zum Tank T und zu einem Anschluß im Ventilkörper 22.

Das Wegeventil 5 besitzt einen Ventilkörper 22, in dessen Längsbohrung ein Kolben 19 angeordnet ist, der über das bei A′ und B′ angelegte Strömungsmittel verschoben werden kann. Die Strömungsmittelzufuhr erfolgt über die Kanäle 12 und 13, die zu den Steuerkammern 18 bzw. 17 führen, so daß bei P anstehendes Druckmedium zu den Verbraucheran­ schlüssen A, B bzw. zu dem Tankanschluß T entsprechend einem elektrischen Steuersignal geleitet werden kann. Das Steuersignal wird an nicht näher bezeichnete Wicklungen des Steuermotors 3 angelegt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Steuer- oder Torquemotors 23 gemäß der Erfindung. Der elektrische Steuermotor 23 ist auf der Oberseite eines hydraulischen Verstärkers 24 befestigt, und zwar unter Zwischenlage einer als Motorblock 27 be­ zeichneten Platte. Zwischen Motorblock 27 und Verstärker 24 ist eine Dichtung 61 vorgesehen. Der hydraulische Ver­ stärker 24 kann auf einem Hauptventil in der in Fig. 1 gezeigten Art mit seiner Unterseite 25 angeordnet sein. Insofern entsprechen die Bezugszeichen C2 und C1 in Fig. 2 den Bezugszeichen A′ und B′ in Fig. 1, PX in Fig. 2 entspricht den PX in Fig. 1. Schließlich bezeichnete R in Fig. 2 und Fig. 1 einen Rücklaufanschluß zum Tank der in Fig. 1 über Kanal 14 erfolgt.

Der Steuermotor 23 ist durch Befestigungsmittel in der Form von Schrauben 28 unter Zuhilfenahme des Motorblocks 27 eines Ventil- oder Verstärkerkörpers 37 befestigt. Im einzelnen besitzt der Steuermotor 23 seitliche Polschuhe 29, Polschrauben 26 sowie diese umgebende Spulen 31, wie dies auf dem Gebiet der Steuermotoren bekannt ist. Die seitlichen Polschuhe 29 sind durch einen oberen Polschuh 30 verbunden, an dem erfindungsgemäß nach unten ragend ein Permanentmagnet 32 mit zwei Polen befestigt ist. Vor­ zugsweise innerhalb des Permanentmagneten 32 läuft eine ebenfalls an dem oberen Polschuh 30 befestigte Biegefe­ der, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Biegestab 33 ausgebildet ist. Der Biegestab 33 erstreckt sich über die unteren Enden der Pole des Permanentmagne­ ten 32 hinaus und steht vorzugsweise über einen Anker 34 mit einem Strahlrohr 35 in Verbindung.

Der Verstärkerkörper 37 ist von seiner Oberseite 39 zur Unterseite 25 hin von einer Bohrung 36 durchsetzt, in die das Stahlrohr 35 hineinragt. Das Stahlrohr 35 besitzt ei­ nen Schwenkpunkt 48, der durch das Stahlrohr 35 im Be­ reich des Schwenkpunkts 48 umgebende Lager- und Dichtmit­ tel 20 gebildet wird.

Vorzugsweise im Bereich der Lager- und Dichtmittel 20 be­ steht eine Verbindung zum Inneren des Strahlrohrs 35, welches - wie in Fig. 3 angedeutet - eine Längsbohrung 46 besitzt, die nach unten hin verläuft und eine Strahldüse 38 bildet.

Obwohl die Fig. 3 eine Einzelheit der Fig. 2 darstellen soll, ist jedoch in Fig. 3 ein Unterschied insofern vor­ gesehen und dargestellt, als die zur Aufnahme der Lager und Dichtmittel 20 (Fig. 2) und 21 (Fig. 3) vorgesehene Kammer 40 in Fig. 2 etwas unterschiedlich von der Kammer 40 gemäß Fig. 3 ausgebildet ist. Man erkennt, daß in Fig. 2 die Lagermittel 20 eben mit der Oberseite 39 abschlie­ ßen und an ihrem Platz durch einen Vorsprung 62 des Mo­ torblocks 27 gehalten werden. Ferner ragt ein Ringvor­ sprung 60 des Motorblocks 27 dabei in eine entsprechende Ausnehmung in der Oberseite 39 hinein und bildet auch ei­ ne seitliche Halterung für den oberen Teil der Dichtmit­ tel 40. Eine Einschnürung der Bohrung 36 bildende Tragmittel 47 tragen die Dichtmittel 20 (Fig. 2) und auch die Dichtmittel 21 (Fig. 3). Die Bohrung 46 ist durch mindestens eine Querbohrung 45 mit der Kammer 40 verbunden.

Bei der Abwandlung gemäß Fig. 3 ragen die Dichtmittel 21 über die Oberfläche 39 hinaus und der Motorblock 27 bil­ det einen Ringvorsprung 65 mit einer Ausnehmung 66, in der die Dichtmittel 21 sitzen.

Im einzelnen weisen die Dichtmittel 20 (in Fig. 2) und 21 (in Fig. 3) einen ersten O-Ring 41 und einen zweiten O-Ring 42 auf, wobei zwischen diesen beiden O-Ringen in Axialrichtung ein vorzugsweise ringförmiges Zwischenstück 43 angeordnet ist, welches eine oder mehrere Querbohrun­ gen 44 aufweist. Diese Querbohrungen liegen auf der Höhe der Mündung eines Kanals 49, der den Anschluß PX mit der Kammer 40 verbindet.

In der Bohrung 36 ist benachbart zum unteren Ende des Strahlrohrs 35 und somit benachbart zur Strahldüse 38 ein Empfänger 50 angeordnet, der zwei Auffangdüsen 51, 52 bildet, die mit Düsenkanälen 58 bzw. 59 im Empfänger 50 in Verbindung stehen, die dann ihrerseits über Kanäle 63 bzw. 64 im Verstärkerkörper 37 mit Anschlüssen C1 bzw. C2 verbunden sind. In einer Ausnehmung an der Unterseite 25 ist im Bereich des Kanals 49 ein Filter 57 vorgesehen.

Die Hubbewegungen des Strahlrohrs 35 sind mit 53, 54 be­ zeichnet.

Fig. 4 zeigt schematisch ein abgewandeltes Ausführungs­ beispiel der Erfindung, welches ähnlich wie in Fig. 3 ausgebildet ist, wobei aber hier ein spezieller O-Ring 68 vorgesehen ist, der Bohrungen 69 aufweist, von denen die eine mit dem Kanal 49 ausgerichtet ist, so daß Druckme­ dium über Bohrung 45 der Bohrung 46 des Strahlrohrs 35 zugeführt werden kann.

Im einzelnen ist ein oberer 70 und ein unterer 71 Stütz­ ring vorgesehen, um die O-Ringdichtung 68 sicher in der Kammer 40 zu halten. 47 bezeichnet einen Arbeitsspalt für das Strahlrohr 35.

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Hier wird der Steuermotor 75 durch zwei pie­ zoelektrische Biegewandler 78 gebildet, die in geeigneter Weise mit einem Motorblock 76 und einer Befestigungsein­ richtung (Strahlrohrhalterung) 79 verbunden sind. Der Verstärkerkörper ist hier mit 77 bezeichnet.

Die piezoelektrischen Biegewandler 78 können sich bei Zu­ führung einer Stellspannung verbiegen und somit ein Aus­ lenken des Strahlrohrs 35 mit seiner Strahldüse 38 bewir­ ken. Um die angeschlossene Masse zu verringern, kann die Strahlrohrhalterung 79 sowie das Strahlrohr 35 aus Leichtmetall oder Kunststoff hergestellt sein. Der Fre­ quenzgangbereich wird hier direkt von den Biegewandlern 78 bestimmt. Die Dichtung erfolgt auch hier ähnlich wie in den Fig. 2 und 3 beschrieben. Der Befestigung dienende Bohrungen sind in Fig. 6 mit 80 bezeichnet. Die Hubbewe­ gungen sind mit 81, 82 bezeichnet.

Fig. 7 zeigt den Längsschnitt durch die erste Stufe 83 eines Servo- oder Proportionalventils. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist der Steuermotor 84 wiederum zu­ sammen mit einem hydraulischen Verstärker 85 dargestellt, wobei hier eine im ganzen horizontal aufgebauten Vorsteu­ erstufe gebildet wird. Der Vorteil liegt in der flachen Bauweise und in dem einfachen mechanischen Aufbau. Der Antrieb erfolgt über den Steuermotor 84 in der Form eines Zweispalt-Torquemotors, der sich durch eine geringe An­ kermasse und eine hohe Eigendynamik auszeichnet. Man er­ kennt einen oberen Polschuh 87, einen unteren Polschuh 88 und einen hinteren Polschuh 89. Eine Spule 90 sowie ein Anker 91 und ein Permanentmagnet 92 sind gezeigt. Am hin­ teren Polschuh 89 ist ein Biegestab oder eine Biegefeder 93 befestigt, die mit dem Anker 91 verbunden ist. Der Steuermotor 84 ist über einen Deckel 94 an dem Verstär­ kergehäuse oder Verstärkerkörper 95 befestigt. Ein Emp­ fängerkörper 96 bildet Auffangdüsen 97 und 98 und ist in der Längsbohrung des Körpers 95 befestigt. Ähnlich wie in Fig. 2 sind Kanäle 58, 59 sowie 63 und 64 vorgesehen. Das gilt auch für die Kanäle 49 und 56. Ebenfalls sind wie­ derum Lager- und Dichtmittel 99 benachbart zum Deckel 96 angeordnet, um das Strahlrohr 35 schwenkbar zu lagern, so daß es bei Erregung der Spule 90 ausgelenkt wird, und zwar in der einen oder anderen Richtung je nach der Pola­ rität des angelegten elektrischen Steuersignals.

Es sei bemerkt, daß die Aufhängung bzw. Lagerung des Strahlrohrs statt durch einen auch durch mehrere Biege­ stäbe bzw. Biegefedern erfolgen kann, wobei diese mit dem Anker und dem oberen Polschuh in geeigneter Weise verbun­ den sind.

Man erkennt ferner, daß bei den oben beschriebenen Aus­ führungsbeispielen der beim Stand der Technik notwendige, aufwendige Lötvorgang durch ein Steck- bzw. Schraubsystem ersetzt wird, wodurch eine höhere Funktionssicherheit ge­ währleitstet wird.

Erfindungsgemäß ist es ferner möglich durch die Auswahl der Durchmesser der Biegestäbe bzw. der Dicke der Biegefedern die Frequenzgangwerte zu bestimmen.

Die Einstellung der Neutralstellung bei den oben genann­ ten Ausführungsbeispielen erfolgt vorzugsweise durch Ver­ schieben des oberen Polschuhs, wobei aber auch, wenn ge­ wünscht, eine Vertrimmung einstellbar ist.

Claims (7)

1. Jet-Pipe- oder Strahlrohrstufe, insbesondere zur Ver­ wendung als Vorsteuerstufe eines Servoventils, wobei folgendes vorgesehen ist:
ein Steuer- oder Torquemotor (23, 75, 84), der ent­ sprechend einem elektrischen Signal auslenkbar ist,
eine durch den Steuermotor auslenkbare Strahldüse, Zuführmittel (49), um ein Druckmedium der Strahldüse (38) zuzuführen, und
mindestens zwei Auffangdüsen (51, 52; 97, 98) be­ nachbart angeordnet zu der Strahldüse (35), um ent­ sprechend dem elektrischen Signal Druckmedium auf­ zunehmen,
wobei die Druckölzufuhr zur Strahldüse (35) nicht über den Steuermotor, sondern über interne Verbin­ dungen im Bereich des Motorblocks und/oder eines Verstärkerkörpers erfolgt.

2. Strahlrohrstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckmittelzufuhr über ein Strahlrohr (35) erfolgt, an dessen einen Ende die Strahldüse (38) und an dessen anderen Ende das bewegliche Ele­ ment eines Steuermotors direkt oder indirekt ange­ ordnet ist.

3. Strahlrohrstufe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermotor eine stationäre durch ein elektrisches Signal er­ regbare Wicklung aufweist.

4. Strahlrohrstufe nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr im Motorblock vorzugswiese schwenkbar gelagert ist.

5. Strahlrohrstufe nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr im Ventilkörper (37) vorzugsweise schwenkbar gelagert ist.

6. Strahlrohrstufe nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mit­ tel vorgesehen sind, die das Strahlrohr und damit die Strahldüse in einer Neutralstellung bezüglich der Auffangdüsen vorspannen.

7. Strahlrohrstufe nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vorspannen eine Biegefeder, insbesondere ein Biegestab, sind.