DE3720347A1 - Magnetventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetventil zur Steuerung des Durchflusses oder Druckes eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere in der Kraftfahrzeughydraulik gibt es immer wieder Stellvorgänge, die nach bestimmten vorgegebenen Anforderungen ablaufen müssen, um akzeptable Reaktionen im Kraftfahrzeug zu erhalten. Eine heute übliche Lösung zur Erzeugung variabler Druckgradienten besteht darin, durch Pulsen der verwendeten schnell schaltenden Ventile, das heißt durch schnelles Öffnen und Schließen der Ventile, einen gewünschten Druckverlauf in dem Hydrauliksystem zu erzeugen. Dabei ergibt sich jedoch zum einen nur eine stufenförmige Veränderung des Druckes des Hydrau­ liksystems in Form einer Treppenkurve und zum anderen wegen des ständigen Öffnens und Schließens der Ventile eine störende Geräuschentwicklung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein Magnetventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art zu schaffen, das einen möglichst geradlinigen Verlauf der Änderung des Druckes oder des Durchflusses in einem Fluidsystem, das heißt in einem hydraulischen oder pneumatischen System, ermöglicht. Dieses Magnetventil soll zudem mit geringem Aufwand herstellbar sein, so daß es sich auch für eine Massenfertigung eignet und geräuscharm arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß das Magnetventil mit Stromimpulsen angesteuert wird, deren Frequenz deutlich über der maximalen Schaltfrequenz des Ventils liegt und deren Verhält­ nis zwischen Impulslänge und Pausenlänge veränderbar ist, hat sich überraschender­ weise die Möglichkeit eröffnet, ein Proportionalventil bereitzustellen, das mit relativ geringem Aufwand hergestellt werden kann und das praktisch ohne Geräusche arbeitet. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Darstellung des Grundprinzips des erfindungsgemäßen Magnetventils,

Fig. 2 in einem Diagramm des Fluiddurchflusses über dem Pausen­ anteil der Impulsbeaufschlagung eine Kennlinie des erfindungsgemäßen Magnetventils,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines Fluid-Regelsystems unter Ver­ wendung von erfindungsgemäßen Magnetventilen und

Fig. 4-6 in Diagrammen des Stromes über der Zeit den Verlauf des zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Magnetventils verwendeten Impulsstromes für verschiedene Regelabweichungen.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 ein Magnetventil zur Steuerung des Durch­ flusses oder Druckes eines Fluids, beispielsweise eines hydraulischen Arbeitsmit­ tels, bezeichnet, das einen in einem Gehäuse 2 gegenüber einem Ventilsitz 4 ver­ stellbaren, hier beispielsweise durch eine Ventilkugel 3 gebildeten Ventilkörper aufweist. Diese Ventilkugel 3 arbeitet dabei entgegen dem Druck der Arbeitsmit­ telzuströmleitung 5 a. Mit 5 b ist dagegen eine aus einem Ventilraum 6 herausführende Arbeitsmittelabführungsleitung angedeutet, die in Pfeilrichtung durchströmt wird.

Zur Betätigung der Ventilkugel 3 dient dabei ein Strößel 7, der von einem aus einem Anker 8 und einer Spule 9 bestehenden Elektromagneten beaufschlagt wird. Bei abgeschaltetem Strom des Elektromagneten befindet sich das Magnetventil entweder in dem geöffneten Zustand oder aber es ist eine hier nicht dargestellte den Stößel 7 bzw. den Anker 8 belastende Druckfeder vorgesehen, die die Ventilkugel 3 in Schließrichtung beaufschlagt und somit im stromlosen Zustand das Ventil verschließt.

Die Spule 9 des Magnetventils 1 wird nun von einem Impulserzeugungsglied 10, das eine Endstufe 11 und einen Funktionsgenerator 12 aufweist, mit Stromimpulsen von einer Frequenz angesteuert, die deutlich über der maximalen Schaltfrequenz des Magnetventils liegt. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, daß die maximale Schaltfrequenz eines Magnetventils bei etwa 400-500 Hz liegt, das heißt das Magnetventil kann im Höchstfall 400 oder 500 einzelne Öffnungs- und Schließvor­ gänge pro Sekunde ausführen, dann könnte die Impulsfrequenz für die Ansteuerung des Magnetventils beispielsweise bei einer Frequenz von 1 oder 2 KHz liegen. Bei einer derartigen hochfrequenten Ansteuerung kann das Ventil keine einzelnen Öffnungs- und Schließbewegungen mehr ausführen, sondern es befindet sich in einer stabilen Stellung, deren Öffnungs- bzw. Schließgrad letztlich davon abhängt, wie groß das Verhältnis der Impulslänge zur Pausenlänge der Ansteuerimpulse ist. Dieses Tastverhältnis soll dabei zur Veränderung des Ventilöffnungsgrades verändert werden können, wozu in der Fig. 1 ein mit 13 bezeichnetes Steuergerät angedeutet ist, dessen Ausgang auf den die Stromimpulse liefernden Funktionsge­ nerator 12 geschaltet ist.

Aus der Fig. 2 ist nun der Kennlinienverlauf eines solchen Magnetventils, das im stromlosen Zustand durch eine zugeordnete Feder geschlossen ist, angedeu­ tet, das mit Stromimpulsen ansteuerbar ist, deren Frequenz beispielsweise bei 2 kHz liegt und deren Impuls-Pausen-Verhältnis verändert wird. Dabei mag die Druckdifferenz zwischen der Druckmittelzuleitung 5 a und der Druckmittelablei­ tung 5 b beispielsweise bei 150 bar liegen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Kennlinie 15 des Druckmitteldurchflusses durch das Ventil bis zu einer Pausenzeit von 50% der Gesamtimpulslänge konstant bleibt, das Magnetventil sich also in dem voll geöffneten Zustand befindet. Im Bereich zwischen 50 und 60% Pausenzeit fällt dagegen der Durchfluß linear bis auf Null ab und bleibt anschließend dort. Aus diesem Verlauf ist also ersichtlich, daß das Magnetventil bei Beaufschlagung mit Stromimpulsen der angegebenen hohen Frequenz, deren Pausenlänge im Verhältnis zur gesamten Impulslänge von etwa 50 auf 60% verändert wird, das Ventil zunehmend in Schließrichtung verstellt wird, wobei jedem einzelnen Pausenzeitverhältnis ein stabiler Zustand des Ventils mit einem bestimmten Öffnungs­ grad zugeordnet ist.

Das Magnetventil liefert also in dem betrachteten Bereich eine lineare Kennlinie, das heißt eine streng proportionale Zuordnung zwischen dem Durchfluß bzw. dem Druck des Arbeitsmittels und der das Impuls-Pausen-Verhältnis steuernden Steuergröße. Da bei dieser hochfrequenzten Impulsbeaufschlagung des Magnetventils dieses nicht mehr in der Lage ist, entsprechend der Impulsfrequenz zu öffnen und zu schließen, sondern praktisch in der durch das jeweilige Impuls-Pausen-Verhältnis vor­ gegebenen Stellung stehen bleibt, können auch keine Geräusche des Ventils, die beim Aufschlag desselben auf den Ventilsitz entstehen, auftreten.

In der Fig. 3 ist ein Hydrauliksystem 20 mit einem in einem Zylinder 21 verstell­ baren Kolben 22 angedeutet. Dabei kann dieser Kolben beispielsweise kraft-, weg- oder geschwindigkeitsabhängig geregelt werden. Zu diesem Zweck wird eine den Zylinder 21 beaufschlagende, beispielsweise hydraulische Druckmittelleitung 24 über ein erstes Magnetventil 26 zur Druckmittelzufuhr mit einer Druckmittel­ quelle, beispielsweise einer Pumpe 25 verbunden, während die Druckmittelabfuhr zu einem Druckmittelvorratsbehälter 28 durch ein zweites Magnetventil 27 ge­ steuert wird. Den beiden Magnetventilen 26 und 27 können Impulserzeugungsglie­ der 32 und 33 zugeordnet sein, die jeweils im Prinzip dem in der Fig. 1 mit 10 bezeichneten Impulserzeugungsglied entsprechen. Angesteuert werden diese Impulserzeugungsglieder 32 und 33 von der in einem Regler 31 erzeugten Stellgröße, die aus der bei dem Soll-Istwert-Vergleich in einem Vergleichsglied 30 gebildeten Regelabweichung erzeugt wird. Dabei wird für diesen Soll-Istwert-Vergleich beispiels­ weise der Sollwert einer an dem Kolben 22 bzw. dessen Kolbenstange 23 zu erzeugen­ den Kraft mit einem durch einen Geber 29 erfaßten Istwert dieser Kraft F verglichen. Die so im Regler ermittelten Stellgrößen beaufschlagen dann die Impulserzeugungs­ glieder 32 und 33 der Magnetventile 26 und 27, wobei durch Veränderung des Impuls-Pausenverhältnisses der Impulsansteuerung der Magnetventile der Öffnungs­ grad der Ventile und damit die Druckmittelzu- bzw. -abfuhr in oder aus der Druck­ mittelleitung 24 verändert und folglich dem Kolben 22 wirksam werdende Kraft geregelt wird. In ähnlicher Weise können natürlich, wie oben bereits angedeutet wurde, auch der Weg des Kolbens oder dessen Geschwindigkeit geregelt werden.

Um insbesondere auch bei einem derartigen Regelsystem auf einfache Weise eine Veränderung des Impuls-Pausen-Verhältnisses der Stromimpulse zur Beaufschlagung der Elektromagneten zu erzielen, kann hier von einer Möglichkeit Gebrauch gemacht werden, die im Prinzip in den Fig. 4-6 dargestellt ist. Die in den Impuls­ erzeugungsgeräten der Magnetventile vorgesehenen Funktionsgeneratoren sollen danach keine Rechteckimpulse liefern sondern Impulse, die z.B. einen in der Fig. 4 mit 40 angedeuteten linearen Zickzack-Verlauf aufweisen. Anstelle des in der Zeichnung gezeigten streng linearen Zick-Zack-Verlaufes könnten die Impulse auch einen sinusförmigen oder mit besonderem Vorteil einen trapezförmigen Ver­ lauf besitzen. Diese Impulse ergeben sich dabei dadurch, daß der Strom kontinuierlich mit der vorgegebenen Grundfrequenz, die beispielsweise bei 2 kHz liegen mag, um einen mit 41 angedeuteten Mittelwert ansteigt und abfällt, wobei die Amplitude im wesentlichen der Ansprechschwelle der Magnetventile entsprechen soll. Diese Ansprechschwellen sind hier durch Linien 42 und 43 auf dem positiven und negativen Stromast angedeutet. Durch Überlagerung dieser Grundschwingung der Stromimpulse mit einem konstanten Stromwert, der zum Beispiel durch die in dem Hydrauliksystem 20 nach der Fig. 3 durch den Regler 31 erzeugten Stellgröße gebildet wird, ergibt sich nun eine Verschiebung des Mittelwerts 41 um diesen Wert, so daß je nach dem Vorzeichen dieses überlagerten Stromwertes, die Ansprechschwellen 42 oder 43 überschritten werden. Dabei hängt das Maß der Überschreitung der Ansprech­ schwellen und damit das sich ergebende Verhältnis der Impulslänge zur Pausenlänge jeweils von der absoluten Größe der Stellgröße ab, indem mit größer werdender Stellgröße die Impulslänge im Vergleich zur Pausenlänge vergrößert wird. Bei einem Magnetventil, das im stromlosen Zustand geschlossen ist, also mit einer Schließfeder arbeitet, würde mit zunehmender Stellgröße und damit zunehmender Impulslänge in dem aus der Fig. 2 ersichtlichen Bereich das Ventil zunehmend geöffnet, während bei einem stromlos geöffneten Ventil dieses unter gleichen Voraussetzungen dann geschlossen wird.

In der Fig. 5, in der eine positive Stellgröße 44 angenommen wurde, ergibt sich dann in den mit 45 bezeichneten Bereichen eine Überschreitung des Ansprechschwel­ len des Ventils, so daß das Ventil mit dreieckförmigen Impulsen der vorgegebenen Grundfrequenz und dem sich aus dem Maß der Stellgröße 44 ergebenden Impuls- Pausen-Verhältnis, angesteuert wird. Wird dagegen, wie in der Fig. 6, eine negative Stellgröße 46 angenommen, so wird die Impulslinie 40 gegenüber der Nullinie nach unten in die Lage 40′′ verschoben und die mit 43 angedeutete Ansprech­ schwelle in den Bereichen 47 überschritten.

Diese Impulssignalerzeugung unter Verwendung eines kontinuierlich auf- und ab­ steigenden Grundimpulses, der sowohl einen dreieckförmigen als auch einen sinus­ förmigen Verlauf besitzen kann, macht es nun möglich, mit einem einzigen Signal­ erzeugungsgerät für beide Ventile zu arbeiten, indem der positive Ast der Signal­ werte dem einen Ventil und der negative Ast dem anderen Ventil zugeordnet wird. Dementsprechend ist die mit 42 in den Fig. 4-6 bezeichnete, auf der positiven Seite vorgesehene Ansprechschwelle beispielsweise dem zweiten Magnet­ ventil 27, das den Druck in dem Hydrauliksystem 20 abbauen soll, zugeordnet, während die im negativen Bereich des Stromes liegende Ansprechschwelle 43 dem den Druckaufbau in dem Hydrauliksystem 20 besorgenden ersten Magnet­ ventil 26 zugeordnet ist. Positive Stellgrößen steuern damit das zweite Magnetven­ til und negative Stellgröße das erste Magnetventil an, wobei hier vorausgesetzt wurde, daß es sich um Ventile handelt, die im stromlosen Zustand geschlossen sind, also mit Schließfedern ausgerüstet sind.

Claims (6)

1. Magnetventil zur Steuerung des Durchflusses oder Druckes eines Fluids, das einen von einem mit Stromimpulsen beaufschlagbaren Elektromagneten betätig­ baren Ventilkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (8, 9) mit Stromimpulsen ansteuerbar ist, bei denen das Verhältnis zwischen Impulslänge und Pausenlänge veränderbar ist und deren Impulsfrequenz deutlich über der maximalen Schaltfrequenz des Ventils (1) liegt.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (8, 9) mit in der Impulsfrequenz kontinuierlich um einen Mittelwert auf- und absteigenden Stromimpulsen beaufschlagbar ist, deren Amplitude im wesent­ lichen der Ansprechschwelle des Ventils entspricht und deren Impuls-Pausen-Ver­ hältnis durch Verschiebung des Mittelwertes steuerbar ist.

3. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse einen linear ansteigenden und abfallenden Verlauf aufweisen.

4. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse einen sinusförmig ansteigenden und abfallenden Verlauf aufweisen.

5. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1-4 zum Einsatz bei einer Einrichtung zur Regelung eines Fluidsystems mit einem aus einem Soll-Ist-Vergleich eine Stellgröße bildenden Regler, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung des Mittelwertes der Stromimpulse die Stellgröße des Reglers aufschaltbar ist.

6. Magnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beaufschlagung der positive oder der negative Ast der Stromimpulswerte verwendbar ist.