DE4220177A1 - Vorrichtung zur Betätigung eines Ventilelementes - Google Patents
Vorrichtung zur Betätigung eines VentilelementesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung
eines Ventilelementes gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Üblicherweise werden zur Betätigung von elektro
hydraulischen Wegeventilen Elektromagnete verwendet.
Dabei sind bei einer Versorgungsspannung von z. B. 12
Volt zum Erzeugen der erforderlichen Anzugskraft von
typisch 100 N Spulenströme von einigen hundert
Milliampere notwendig.
Beim Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung (z. B.
für eigensichere Stromkreise im untertägigen
Kohlebergbau) ist es jedoch sehr wünschenswert, die zur
Ansteuerung erforderliche elektrische Leistung so
gering wie möglich zu halten. In der Regel sind (je
nach Ausführung) an jedem Ausbaugestell in einem
Kohlestreb etwa acht Funktionen zu steuern. Da es
eigensichere Netzteile nicht für beliebige Leistungen
gibt, muß pro etwa fünf Ausbaugestelle ein Netzteil
installiert werden. Dabei ist bereits berücksichtigt,
daß nicht alle Ventile gleichzeitig angesteuert werden.
Ideal wäre ein solch niedriger Stromverbrauch, daß auf
Netzteile und auf die zu ihnen führenden 220 Volt-Lei
tungen innerhalb des Strebs ganz verzichtet werden
könnte.
Elektromagnetisch betriebene Ventile haben grundsätz
lich den Nachteil, daß zur Aufrechterhaltung des akti
ven Schaltzustandes ein permanenter Spulenstrom erfor
derlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vor
richtung der eingangs genannten Art anzugeben, zu deren
Betätigung nur eine sehr geringe elektrische Leistung
erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Piezo-elektrische Translatoren sind ansich bekannt. Sie
bestehen jeweils aus einem Stapel piezo-elektrischer
Elemente, die aus einem ferro-elektrischen Keramik-Ma
terial hergestellt sind. Die typische Dickenänderung
einer Scheibe aus Piezokeramik beträgt zwar nur
1 10-3 mm bei einer angelegten Feldstärke von
1000 V/mm (wenn der Expansion keine Einspannkraft
entgegenwirkt), jedoch kann eine dem erforderlichen
Betätigungsweg entsprechende Ausdehnung des Stapels,
das heißt des Translators erreicht werden, in dem man
eine entsprechende Anzahl von Piezo-Scheiben
aufeinanderstapelt.
Beim Anlegen der Steuerspannung an einen piezo
elektrischen Translator braucht nur der Ladestrom für
die Kapazität des Stellelementes aufgebracht zu werden.
Danach fließt nur noch ein vernachläßigbarer Rest
strom. Piezo-elektrische Translatoren zeichnen sich
durch Verschleißfreiheit, schnelle Schaltzeiten und
hohe Stellkraft zu Beginn des Schaltweges aus. Gerade
das letztere Merkmal macht sie besonders geeignet zur
Betätigung von Hydraulikventilen, da die benötigte
Kraft am Stößel eines Hydraulikventils zu Beginn des
Stellweges am größten ist, während anschließend die
hydraulischen Gegenkräfte schnell abnehmen. Diese
Anforderung stimmt mit der Weg/Kraft-Kennlinie von
piezo-elektrischen Translatoren überein, wogegen bei
einem Antrieb mit einem Elektromagneten bei konstantem
Spulenstrom die Hubkraft mit dem Stellweg zunimmt.
Trotz dieser offensichtlichen Vorteile piezo
elektrischer Translatoren wird der Einsatz zur Betäti
gung von Ventilen erst durch die erfindungsgemäße Lö
sung praktisch sinnvoll.
Beispielsweise hat ein von der Firma Hoechst-CeramTec
hergestellter Translatortyp eine Höhe von 16 mm und
erreicht bei einer Spannung von 400 Volt einen Expansi
onsweg von 20 µm. Eingespannt übt er eine Expansions
kraft von 1500 N aus. Aus diesen Daten folgt, daß für
den geforderten Stellweg von 200 µm eine Hebelüberset
zung von 1 : 10 benötigt wird.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Piezokeramik
ist etwa um den Faktor 2 kleiner als der von Stahl (13
10-6). Bei einer Temperaturänderung von 300 bedeutet
dies einen Unterschied in der thermischen Längen
änderung von mehr als 3 µm pro 16 mm. Dies ist bereits
ein beträchtlicher Teil des Gesamthubes von 20 µm, der
mit dem Translator erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung beseitigt nun dieses Pro
blem, in dem zum Verschwenken oder Kippen des Betäti
gungshebels das gegenläufige Wirken zweier Translatoren
ausgenützt wird. Nichtelektrische Expansionseffekte,
die beispielsweise auf einer Temperaturänderung beruhen
und somit in beiden Stapeln gleichartig auftreten,
werden dadurch vollständig kompensiert. Somit kann der
solle Hub der Translatoren ausgenutzt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen dargestellt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin
dung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an
Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsschema einer erfindungs
gemäßen Betätigungsvorrichtung in
einem durch die Translatorenachsen
verlaufenden Schnitt und
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden sche
matischen Schnitt durch eine reali
stische Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Kipp- oder Betätigungshebel
bezeichnet, der eine im wesentlichen C-förmige Gestalt
hat. Er umfaßt einen Mittel- oder Längsschenkel 12
sowie zwei zu diesem senkrechte Querschenkel 14 und 16.
Diese tragen an ihren freien Enden nach außen gerichte
te Betätigungsabschnitte 18 bzw. 20, an denen jeweils
ein Betätigungsstößel 22 angeordnet ist.
Der Betätigungshebel 10 ist an einem Grundkörper 24
verschwenkbar oder kippbar gelagert. Die Lagerung und
das Kippen des Betätigungshebels 10 erfolgt mit Hilfe
von zwei piezo-elektrischen Translatoren 26, das heißt
Stapeln, die aus einzelnen piezo-elektrischen Elementen
aufgebaut sind, die mit ihren Stapelachsen parallel zu
einander, mit ihrer Wirkungsrichtung jedoch
antiparallel zwischen dem Querschenkel 14 und einer zu
diesem im wesentlichen parallelen Spannfläche 28 des
Grundkörpers 24 eingespannt sind. Die Spannkraft wird
von zwei zwischen den Translatoren 26 verlaufenden
Zugschrauben oder Spannbolzen 30 aufgebracht, die
einerseits an den Querschenkeln 14 und andererseits an
einem die Spannfläche 28 aufweisenden Fortsatz 32 des
Grundkörpers 24 angreifen. Die Translatoren 26 sind
zwischen dem Querschenkel 14 und der Spannfläche 28
derart eingespannt, daß sie jeweils gegenüber den
Spannflächen geringfügig um zur Zeichenebene senkrechte
und durch die Spitzen der Dreiecke an den Ecken der
Translatoren 26 verlaufende Achsen 34 schwenkbar sind.
Die Stößel 22 sind in Bohrungen 36 des Grundkörpers 24
verschiebbar geführt.
Im Ruhezustand wirken den Kräften der beiden Spann
schrauben 30 die aus der Kompression der Piezostapel 26
resultierenden elastischen Kräfte entgegen und halten
ihnen das Gleichgewicht. Der Betätigungshebel 10 ist so
justiert, daß keine Kippung auftritt. Nicht dargestell
te Ventilstößelfedern, die auf die Betätigungsstößel
24 wirken, sorgen dafür, daß der Betätigungshebel 10
auf beiden Seiten an den durch die ausgefüllten Dreiecke
38 angedeuteten Widerlagern anliegt.
Eine gegenläufige Anregung der beiden Translatoren be
wirkt eine Verschiebung der Wirkungslinie des von den
Stapeln ausgeübten Kräftepaares und damit ein Kippmo
ment für den Betätigungshebel 10. Die Widerlager 38
sorgen dafür, daß die Kippbewegung sich nur nach unten,
das heißt in Richtung der Ventilstößel auswirken kann.
Die Vorrichtung wirkt jedoch symmetrisch in beiden
Richtungen, so daß durch die Stößel 22 zwei hydrauli
sche Ventilstößel wechselweise betätigt werden können.
Da sowohl die Expansion des einen Translators als auch
die Kontraktion des anderen Translators zur Erzeugung
der jeweiligen Kippbewegungen herangezogen wird, kann
mit vergleichsweise geringem Aufwand der ausreichende
Stößelweg und die zum Abheben des Ventilelementes er
forderliche Kraft aufgebracht werden.
Bei der in der Fig. 2 dargestellten realistischen Aus
führungsform sind gleiche Teile wieder mit gleichen Be
zugszeichen versehen. Die die Gelenkachsen 34
enthaltenden Gelenke sind durch dünne Materialbrücken
40 realisiert, über welche Spannbacken 42, 44 mit dem
Querschenkel 14 bzw. dem Grundkörper 24 verbunden sind.
Die dargestellte praktische Ausführungsform ist
außerordentlich kompakt und praktisch verschleißfrei,
da sie keine verschleißanfälligen Gelenkteile hat.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Betätigung eines Ventilelementes,
umfassend einen Grundkörper (24), einen gegenüber
dem Grundkörper (24) schwenkbar gelagerten Betäti
gungshebel (10) und eine Antriebseinrichtung (26,
26), die am Grundkörper (24) befestigt ist und an
dem Betätigungshebel (10) angreift, der mit minde
stens einem seiner Enden zum Einwirken auf ein
Ventilelement bestimmt ist, dadurch gekennzeich
net, daß die Antriebseinrichtung zwei piezo
elektrische Translatoren (26, 26) umfaßt, die mit
antiparalleler Wirkungsrichtung zwischen dem
Grundkörper (24) und dem Betätigungshebel (10)
derart eingespannt sind, daß sie gegenüber dem
Grundkörper (24) und dem Betätigungshebel (10) je
weils um eine zur Schwenk- oder Kippachse des Be
tätigungshebels (10) parallele Achse beweglich
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Translatoren (26) jeweils zwischen
einer grundkörperfesten ersten Spannbacke (44) und
einer hebelfesten zweiten Spannbacke (42) einge
spannt sind, wobei die Spannbacken (42, 44) mit
dem jeweiligen Teil (Hebel 10 und Körper 24) über
ein Gelenk (34) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Gelenk jeweils von einer dünnen Mate
rialbrücke (40) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Translatoren (26) an
dem Betätigungshebel (10) in einem mittleren Be
reich zwischen den Längsenden (18, 20) desselben
angreifen und daß jedes Längsende des Betäti
gungshebels (10) mit einem Ventilbetätigungsele
ment (22) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Betätigungshebel (10) und die An
triebseinrichtung (26, 26) in einer Aussparung des
Grundkörpers (24) derart angeordnet sind, daß der
Betätigungshebel (10) im Bereich seiner Längsenden
(18, 20) im Ruhezustand jeweils an einem grundkör
perfesten Widerlager (38) anliegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Betätigungshebel
(10) C-förmig ausgebildet ist mit einem mittleren
Längsschenkel (12) und zwei zu diesem im wesentli
chen senkrechten Querschenkeln (14, 16), die an
ihren freien Enden jeweils einen parallel zum
Längsschenkel (12) nach außen gerichteten Betäti
gungsabschnitt (18, 20) haben, und daß die beiden
Translatoren (26) mit ihrer Wirkrichtung parallel
zu dem Längsschenkel (12) gerichtet und zwischen
der an einem Querschenkel (14) angeordneten hebel
festen Spannfläche (42) und einer parallel zu die
ser nahe dem anderen Querschenkel (16) angeordne
ten grundkörperfesten Spannfläche (44) eingespannt
sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Translatoren (26)
mittels zweier zwischen ihnen verlaufenden und die
Spannflächen (42, 44) durchsetzenden Spannbolzen
(30) eingespannt sind.
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