[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrofluidischen Wandler nach dem Strahlablenkprinzip
für elektrisch steuerbare Ventile mit stetiger Verstellung, enthaltend ein verstellbares,
eine Strahlablenkung hervorrufendes Element und eine auf dieses einwirkende elektrische
Antriebseinrichtung.
[0002] Solche Stetigventile sind allgemein bekannt. Sie werden in der Fluidtechnik (Hydraulik,
Pneumatik) seit langem eingesetzt und dienen dazu, ein elektrisches Eingangssignal
geringer Leistung analog in ein fluidisches Ausgangssignal vergleichsweise großer
Leistung zu wandeln. Je nach Leistungsvermögen werden sie als Servoventile oder Proportionalventile
bezeichnet.
[0003] Solche Stetigventile sind mitunter mehrstufig, insbesondere zweistufig ausgeführt.
Ein zweistufiges bekanntes Stetigventil hesteht im wesentlichen aus einem Stellmotor
mit fluidischem Wandler als erste, verstärkende Stufe (Vorsteuerstufe) sowie einer
zweiten Stufe, die häufig einen Kolbenschieber enthält. Der fluidische Wandler ist
aus energetischen Gründen vorteilhafterweise nach dem Strahlablenkprinzip ausgeführt.
Zur Lageregelung des Kolbenschiebers der zweiten Stufe werden mechanische oder elektrische
Rückführungen verwendet.
[0004] Bei den bekannten Stetigventilen ist der elektrische Stellmotor zumeist ein Permanentmagnet-Momentenmotor.
Nachteilig daran ist, daß die zu bewegenden Massen dieses Stellmotors die Dynamik
der Vorsteuerstufe und damit die Dynamik des gesamten Stetigventils begrenzen. Dieses
ist bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise in Werkstoff-Prüfmaschinen, nicht tragbar,
wo größere Dynamiken verlangt werden.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs genannten
Art anzugeben, der baulich einfach und funktionssicher ist und zugleich hochdynamisch
arbeitet.
[0006] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Längsschnitt;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform im Längsschnitt, und
- Fig. 4
- die inneren Komponenten der Ausführungsform nach Fig. 3 von oben.
[0008] Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der Erfindung. In einem abgedichteten
Gehäuse, bestehend aus einem Unterteil 101 und einer abgedichtet darauf befestigten
Deckplatte 111, ist ein Holhlraum 112 ausgebildet. In dem Hohlraum 112 erstreckt sich
ein L-förmig abgewinkeltes Strahlrohr 102, das durch das Unterteil 101 hindurchgeführt
ist und dort an dem Unterteil festgelegt ist. Das Strahlrohr 102 ist elastisch verbiegbar,
was durch den Pfeil A angedeutet ist, und endet in einer Düsenöffnung 104. Der Düsenöffnung
104 steht ein Empfängerblock 113 gegenüber, durch den hindurch sich zwei Auslaßkanäle
114 und 115 aus dem Gehäuse heraus erstrecken, die Strahleinlaßöffnungen 105 und 106
aufweisen, die benachbart zueinander angeordnet sind und der Düsenöffnung 104 gegenüberstehen.
Weiterhin erstreckt sich durch das Unterteil 101 des Gehäuses ein Ablaßkanal 107,
der aus dem Hohlraum 112 nach außen führt. An dem Unterteil 101 ist eine piezoelektrische
Antriebseinrichtung 108 abgestützt, die über einen Stempel 109 mit dem Strahlrohr
102 in Verbindung steht.
[0009] Das Strahlrohr 102 weist einen Einlaß 103 auf, der einen Steueranschluß P
X bildet, der zur Speisung mit einem Fluid bestimmt ist. Die Auslässe A und B der Auslaßkanäle
114 und 115 sind zur Verbindung mit einer hier nicht gezeigten, zu steuernden Einrichtung
bestimmt.
[0010] Die elektrischen Anschlußleitungen der piezoelektrischen Antriebseinrichtung 108
sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Wenn die piezoelektrische Antriebseinrichtung
108 einer elektrischen Gleichspannung ausgesetzt wird, verformt sie sich entsprechend
der Polarität der zugeführten Spannung in der einen oder anderen Richtung. Diese Verformung
wird über den Stempel 109 auf das Strahlrohr 102 übertragen, so daß dieses in Richtung
des Pfeils A nach oben oder unten gebogen wird. Hierdurch wird die Düsenöffnung 104
der einen oder der anderen Strahleinlaßöffnung 105 bzw. 106 der Auslaßkanäle 114 oder
115 mehr oder minder stark gegenübergestellt, so daß der Strahl des Fluides, das dem
Strahlrohr 102 an dessen Einlaß 103 zugeführt wird, entsprechend in die Strahleinlaßöffnungen
105 und 106 in unterschiedlichen Anteilen eintritt. Von den Strahleinlaßöffnungen
105 und 106 nicht aufgenommene Fluidmengen werden über den Ablaßkanal 107 aus dem
Hohlraum 112 abgeführt.
[0011] Die piezolelektrische Antriebseinrichtung 108 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise
ein Scheibentranslator, er kann aber auch ein Stapeltranslator sein. Er kann, wie
dargestellt, über einen Stempel 109 direkt auf das Strahlrohr 102 einwirken, oder
über eine an sich bekannte Hebelübersetzungseinrichtung (nicht dargestellt), die den
am Strahlrohr 102 erzeugten Bewegungsweg gegenüber der durch die angelegte elektrische
Spannung hervorgerufenen Formänderung der piezoelektrischen Antriebseinrichtung 108
vergrößert. Eine solche Hebelübersetzungseinrichtung wird später anhand eines anderen
Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert.
[0012] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die in ihren wesentlichen
Elementen mit der nach Fig. 1 übereinstimmt. Das Strahlrohr 102 ist bei dieser Ausführungsform
U-förmig gestaltet, und zwischen dem Unterteil 101 des Gehäuses und dem Mittenschenkel
des Strahlrohrs 102 ist eine als Stapeltranslator ausgebildete piezoelektrische Antriebseinrichtung
108 eingespannt. Bei Beaufschlagung derselben mit einer elektrischen Spannung erfährt
sie eine Längenänderung, die zur Folge hat, daß das die Düsenöffnung 104 aufweisende
freie Ende des Strahlrohres 102 in Richtung des Pfeiles A nach links oder rechts schwenkt
und dadurch den Strahleinlaßöffnungen 105 und 106 der Auslaßkanäle 114 bzw. 115 in
unterschiedlichem Umfang gegenübergestellt wird, so daß eine entsprechende Aufteilung
des von der Düsenöffnung 104 abgegebenen Fluidstrahls auf die vorgenannten Öffnungen
105 und 106 stattfindet. Die übrigen, mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehenen
Komponenten dieser Ausführungsform entsprechen der erstgenannten Ausführungsform und
brauchen daher nicht erläutert zu werden.
[0013] Eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigen die Fig. 3 und 4. In dem Längsschnitt
nach Fig. 3 erkennt man ein Gehäuse, bestehend aus einem Unterteil 201 und einer Deckplatte
221, die einen Hohlraum 232 umschließen. Aus dem Hohlraum 232 führen zwei Auslaßleitungen
225 und 226 nach außen, die Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 aufweisen, die einander
benachbart sind. Im Abstand steht den beiden Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 eine
Strahleinlaßöffnung 204 eines Fluidzuführungskanals gegenüber, dessen Einlaß 203 am
Gehäuseunterteil 201 ausgebildet ist und der durch das Gehäuseunterteil 201 und die
Deckplatte 221 verläuft. Von diesem Fluidzuführungskanal sind in der Zeichnung nur
die Einlaß- und Auslaßbereiche dargestellt. Zwischen der Strahlauslaßöffnung 204 und
den Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 ist ausreichend Raum für eine seitlich bewegliche
Strahlablenkplatte 202 ausgebildet, die im Bereich zwischen der Strahlauslaßöffnung
204 und den beiden Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 eine konische Bohrung 210 aufweist,
deren Querschnitt sich in Richtung auf die Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 verengt
und deren Einlaßdurchmesser größer ist, als der Auslaßdurchmesser der Strahlauslaßöffnung
204.
[0014] Die Strahlablenkplatte 202 ist an zwei piezoelektrischen Antriebseinrichtungen 208
und 209 aufgehängt, die in bezug auf die Strahlablenkplatte 202 einander entgegengesetzt
angeordnet und an dem Gehäuseunterteil 101 in dem Hohlraum 232 abgestützt sind. Aus
dem Hohlraum 232 führt außerdem ein Ablaßkanal 207 nach außen. Die piezoelektrischen
Antriebseinrichtungen 208 und 209 sind elektrisch derart über Steuerleitungen (nicht
dargestellt) angesteuert, daß sie bei Erregung simultan in übereinstimmenden Richtungen
Formänderungen erfahren. Durch sie wird die Strahlablenkplatte 202 je nach Polarität
und Größe der angelegten Spannung nach links oder rechts verstellt, so daß der Auslaß
der Bohrung 210 den Strahleinlaßöffnungen 205 und 206 der Auslaßkanäle 224 und 225
in entsprechend unterschiedlichem Umfang gegenübergestellt wird. Hierdurch wird eine
am Fluideinlaß 203 zugeführte Fluidströmung, die aus der Fluidauslaßöffnung 204 austritt,
von der Bohrung 210 in entsprechend unterschiedlichem Umfang den Einlaßöffnungen 205
und 206 zugeführt. Von diesen nicht aufgenommene Fluidanteile werden über den Ablaßkanal
207 nach außen abgeführt.
[0015] Fig. 4 zeigt den inneren Aufbau des Wandlers von Fig. 3 ohne die Gehäuseteile. Man
erkennt die Strahlablenkplatte 202 mit der Bohrung 210, die über den Strahleinlaßöffnungen
205 und 206 angeordnet ist, die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet sind. Die Strahlablenkplatte
202 ist an beiden Enden, d.h. in Fig. 4 links und rechts, an den piezoelektrischen
Antriebseinrichtungen 208 und 209 aufgehängt. Bei diesen Antriebseinrichtungen handelt
es sich vorzugsweise um Piezo-Biegewandler, bestehend jeweils aus einem Piezostapel
211 und einem Hebelmechanismus 212, 213 mit als Gelenken dienenden biegeweichen Zonen
214, 215 sowie einem Biegestab 217. Der Piezostapel 211 ist zwischen einem ersten
festen Teil 212 des Hebelmechanismus und einem zweiten beweglichen Teil 213 des Hebelmechanismus
angeordnet und mit diesen fest verbunden. Zwischen den beiden äußeren Enden des beweglichen
Teils 213 ist der Biegestab 217 angeordnet, der eine leicht bogenförmige Gestalt hat.
Durch axialen Druck oder Zug, ausgeübt von den äußeren Enden des beweglichen Teils
213, wird der Biegestab 217 quer zu seiner Längsrichtung ausgelenkt. Jeder Biegestab
217 ist in seiner Mitte über einen Stößel 218 mit der Strahlablenkplatte 202 verbunden.
Der feste Teil 212 des Hebelmechanismus ist mittels Bolzen 216 im Gehäuseunterteil
201 abgestützt. Aufgrund des beschriebenen Hebelmechanismus wird die vergleichsweise
geringe Längenänderung des Piezostapels in einen vergrößerten Hub des Stößels 218
umgesetzt.
[0016] Werden an die beiden Piezostapel 211 Gleichspannungen mit unterschiedlicher Polarität
angelegt, kommt es zu seitlichen Auslenkungen der Biegestäbe 217 und damit zu einer
seitlichen Verstellung der Strahlablenkplatte 202 gegenüber den Strahleinlaßöffnungen
205 und 206. Der aus der Strahlauslaßöffnung 204 austretende Fluidstrahl versorgt,
je nach Stellung der Strahlablenkplatte 202, die beiden Auslaßkanäle 224 und 225 ungleichmäßig,
so daß an ihren Ausgängen A und B eine Druckdifferenz entstehen kann.
1. Elektrofluidischer Wandler nach dem Strahlablenkprinzip für elektrisch steuerbare
Ventile mit stetiger Verstellung, enthaltend ein verstellbares, eine Strahlablenkung
hervorrufendes Element (102,202) und eine auf dieses einwirkende elektrische Antriebseinrichtung
(108), dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine piezoelektrische Antriebseinrichtung (108) ist,
deren durch eine zugeführte Stellspannung hervorgerufene Formänderung im Sinne einer
Verstellung auf das verstellbare Element (102,202) einwirkt.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verstellbare Element ein Strahlrohr (102) ist, das am freien Ende eine Düsenöffnung
(104) aufweist, die zwei nebeneinander fest angeordneten Strahleinlaßöffnungen (105,106)
gegenübersteht.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Antriebseinrichtung ein Piezo-Scheibentranslator (108)
ist.
4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Antriebseinrichtung ein Piezo-Stapeltranslator (108;208,209)
ist.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem verstellbaren Element (102,202) und der piezoelektrischen Antriebseinrichtung
eine Hebelübersetzungseinrichtung (212,213) angeordnet ist.
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verstellbare Element ein Strahlablenker (202) ist, der zwischen einer feststehenden
Strahldüse (204) und zwei nebeneinander angeordneten, feststehenden Strahleinlaßöffnungen
(205,206) angeordnet ist und der von zwei gegenüberliegend angeordneten piezoelektrischen
Stapeltranslatoren (208,209) beaufschlagbar ist.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Stapeltranslator (208,209) und dem Strahlablenker (201) eine
Hebelübersetzungseinrichtung (212,213) angeordnet ist.
8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. eine der piezoelektrischen Antriebseinrichtung(en) (108;208,209) mit
einem Meßaufnehmer versehen ist.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer Bestandteil eines elektrischen Regelkreises zur Verminderung
von Hysterese und Temperaturdifferenzauswirkungen ist.
10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis in einem den Wandler aufnehmenden Gehäuse integriert ist.
11. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer ein Dehnungsmeßstreifen ist.
12. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Vorsteuerstufe in einem Stetigventil zur indirekten Beeinflussung fluidischer
Leistungsströme ist.
13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Hauptkolbenschieber mit elektrischer Lageregelung enhält.
14. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er zur direkten Beeinflussung fluidischer Leistungsströme verwendet ist.