Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Vierwegventil, bei dem ein in einem Zylinder verschiebbarer Steuerkolben durch an seinen Enden angreifende Stellmotoren betätigt wird, wobei der Wirkung der Steuersignale auf den Steuerkolben die Wirkung periodischer Impulse überlagert ist.
Steuerventile, bei denen m einem Steuerzylinder ein Steuerkolben in Abhängigkeit von einer magnetischen, pneumatischen, hydraulischen Feder- oder ähnlichen Verstellkraft beweglich ist, weisen den Nachteil einer Hysterese auf.
Ursache dieser Hysterese ist vor allem die Haftreibung des Kolbens gegenüber dem Zylinder. Diese Haftreibung wird auch dadurch hervorgerufen, dass geringe Flüssigkeitsmengen in den Ringspalt zwischen Zylinder und Kolben dringen, wodurch sich Verunreinigungen in den Ringspalten festsetzen.
Um nun die Hysterese, insbesondere soweit sie durch diese Verunreinigungen hervorgerufen ist, zu überwinden, ist eine erhöhte Stellkraft auf den Steuerkolben auszuüben. Sobald dann allerdings die Haftreibung überwunden bzw. die Verunreinigungen beseitigt oder zerstört sind, bewirkt diese erhöhte Stellkraft eine Bewegung des Steuerkolbens, die über das gewünschte Mass hinausgeht.
Diese Erscheinung ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Steuerkolben in stetiger Abhängigkeit von der Stellkraft bewegt und eine stetige Abhängigkeit zwischen Stellkraft und Förderstrom erreicht werden soll. Eine derartige stetige Abhängigkeit zwischen Stellkraft und Ventilstellung ist z. B. dort erwünscht, wo unabhängig vom Druck des hydraulischen Systems konstante, voreinstellbare Fördermengen geliefert werden sollen, wie es z. B. bei hydraulisch betriebenen Fahrzeugen, Winden, Aufzügen, Kränen, Werkzeugmaschinenschlitten und ähnlichem der Fall ist.
Zur Behebung der durch Haftreibung und Verunreinigungen hervorgerufenen Hysterese ist es bei Steuerventilen, deren Steuerkolben durch Elektromagnete betätigt werden, bekannt, die Elektromagnete mit einem pulsierenden Strom zu beaufschlagen (Hydraulic, Pneumatic Power, Juni 1974, Seite 227 ff. insbesondere Seite 229).
Diese bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die Impulsbeaufschlagung des der Verstellung des Steuerkolbens dienenden Elektromagneten lastabhängig ist. Mit ihr lassen sich Hystereseerscheinungen nur bei relativ grossen Verstellwegen des Steuerkolbens verhindern, nicht dagegen, wenn der Steuerkolben nur wenig aus der oder durch die Nullstellung bewegt werden soll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerventil bereitzustellen, das durch eine geeignete Beaufschlagung des Steuerkolbens mit einer Impulskette auch in der Nullstellung keine oder allenfalls vernachlässigbare Hystereseerscheinungen aufweist.
Das erfindungsgemässe hydraulische Vierwegventil ist dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Impulse in beiden Richtungen mit gleicher Frequenz, Impulsdauer und Amplitude im Gegentakt, jedoch ohne Impulsüberlappung auf den Steuerkolben wirken und dass sie unabhängig vom Steuersignal sind.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der Steuerkolben mit konstanter Amplitude um seine durch das Steuersignal definierte Arbeitsstellung oszilliert, wobei durch die Symmetrie der Impulse ein Driften des Kolbens in die eine oder andere Richtung verhindert wird. Derartige Steuerventile sind in beiden Richtungen und auch durch die Nullstellung ohne technisch beachtliche Hysterese steuerbar. Eine Hysterese bzw. erhöhte Haftung des Steuerkolbens ist im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen auch dann nicht feststellbar, wenn sich der Steuerkolben längere Zeit in einer bestimmten Arbeitsstellung oder der Nullstellung befunden hat
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventils wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein hydraulisches Vierweg-Proportionalventil mit einem erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventil als Vorsteuerventil,
Fig. 2 Schaltung der Elektromagnete für das Vorsteuerventil nach Fig. 1,
Fig. 3 Ausführung der Impulsgeneratoren für die Schaltung nach Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Vierweghauptsteuerventil mit einem daran angeschlossenen erfindungsgemässen hydraulischen Vierwegventil in Form eines Vorsteuerventils dargestellt.
Im Gehäuse des Hauptsteuerventils ist ein Kolben 4 axial verschiebbar angeordnet. Dieser Kolben verbindet in bekannter Weise je nach Auslenkung aus der gezeigten Mittel- oder Neutralstellung den einen Anschluss 5 oder den anderen Anschluss 6 eines nicht dargestellten hydraulischen Verbrauchers mit einer ebenfalls nicht dargestellten, von einer Pumpe herkommenden Leitung 7, während der jeweils nicht damit verbundene Anschluss (6 oder 5) mit einem Rücklauf 8 zu einem nicht dargestellten Tank verbunden wird. Die Wirkungsweise solcher Hauptsteuerventile ist bekannt.
Zu jedem stirnseitigen Ende 9 und 10 des Kolbens 4 führt eine Steuerleitung 11 bzw. 12, welche vom Vorsteuerventil 2 herkommt. Anderseits führt eine Querbohrung 13 von der Pumpleitung 7 bis in die Bohrung 14 des Vorsteuerventils.
Das Vorsteuerventil weist zwei Verstellmotoren, die Elektromagnete 19 und 20 auf. Jeder Magnet wirkt auf die zugehörige Stirnseite des Vorsteuerkolbens 22, welcher in der Bohrung 14 axial verschiebbar ist. Der Vorsteuerkolben 22 besitzt an den Einmündungen der Steuerleitungen 11 und 12 in die Bohrung 14 Steuerkanten 23. Diese Steuerkanten liegen in der gezeigten Neutralstellung des Kolbens 22 genau an den Rändern der genannten Einmündungen (sogenannte Nullüberdekkung), so dass bei der geringsten Verschiebung des Kolbens 22 jeweils zwei dieser Kanten eine sofortige Öffnung und damit einen maximalen Anstieg des Druckes in einer der Steuerleitungen bewirken (maximale Drucksteilheit). Damit wird ein sofortiges Ansprechen des Hauptventilkolbens 4 erreicht.
Die Bohrung 14 ist durch die Leitung 16 und Verbindungskanal 24 mit dem Rücklauf verbunden.
Das Rückführungsglied 25, welches die beiden Kolben 4 und 22 miteinander verbindet, befindet sich in der Bohrung 13. Es ist hier als Federstab ausgebildet, welcher am Kolben 4 beispielsweise mittels eines Gewindes in eine entsprechende Bohrung eingeschraubt ist. Das freie Ende des Federstabes 25 greift in eine Vertiefung im Kolben 22 bei möglichst punktförmiger Übertragung der Rückstellkraft.
Das dargestellte Betätigungsorgan arbeitet wie folgt:
Es sei angenommen, dass der Magnet 19 erregt wird und dadurch den Kolben 22 nach rechts verschiebt. Dadurch wird die Querbohrung 13 mit der Steuerleitung 12 verbunden, und der Druck in der Pumpleitung 7 gelangt auf das stirnseitige Ende 10 des Kolbens 4, welcher dadurch in entgegengesetzter Richtung, in Fig. 1 also nach links verschoben wird. Damit wird der Anschluss 5 des Verbrauchers mit der Pumpleitung 7 verbunden. Am Vorsteuerventil wird ferner die Leitung 11 über den Kanal 24 mit der Rücklaufleitung 16 verbunden, womit das stirnseitige Ende 9 des Kolbens 4 druckentlastet wird. Durch die Bewegung des Kolbens 4 wird auch der Anschluss 6 mit dem Rücklauf 8 verbunden und ebenfalls druckentlastet.
Die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben 4 und 22 hat eine Durchbiegung des Federstabes 25 zur Folge, wobei zu beachten ist, dass die Verschiebung des Kolbens 22 wegen der erwähnten Nullüberdeckung nur sehr gering zu sein braucht (wenige Zehntelmillimeter genügen). Diese Durchbiegung bewirkt eine axiale Kraft auf den Kolben 22. Sie ist umso grös ser, je grösser die Auslenkung des Kolbens 4 ist und wirkt entgegengesetzt der Kraft des erregten Magneten, in diesem Beispiel des Magneten 19. Wird durch das kontinuierliche Zuströmen von Druckflüssigkeit zum Ende 10 des Kolbens 4 dieser mehr und mehr nach links verschoben, so wächst diese Rückführkraft an, bis sie schliesslich gleich derjenigen des Magneten 19 wird. Der Vorsteuerkolben 22 wird in seine Mittellage zurückgeführt.
Da der Druckabfall an der Steuerkante 23 zwischen der Querbohrung 13 und den Steuerleitungen 12 und 11 demzufolge annähernd gleich ist, bewegt sich auch der Kolben 4 nicht mehr. Es ergibt sich somit ein Gleichgewicht aller Kräfte; dieses stellt sich jedesmal wieder neu ein, sobald eine der Kräfte sich ändert, insbesondere die Kraft des Magneten 19. Dies gilt auch beim Abschalten des Magneten; durch den Rückführstab und die hydraulischen Drücke werden die beiden Kolben zwangsläufig wieder in ihre Neutralstellung zurückgeführt.
In Fig. 2 ist die Schaltung der Elektromagnete 19, 20 dargestellt. Über die Ein/Ausschalter 38, 39 wird der Magnet 19 bzw. 20 erregt. Die Verriegelungsschalter V19 bzw. V20 verhindern, dass die Magnete 19 und 20 gleichzeitig erregt werden. Beim Schliessen des Schalters 38 wird der Verriegelungsschalter V19 z. B. über ein nicht dargestelltes Relais oder über eine mechanische oder auch elektrische Verbindung zwischen dem Magneten 19 und dem Schalter V19 geöffnet. Umgekehrt wird selbstverständlich genauso der Verriegelungsschalter V20 beim Schliessen des Schalters 39 geöffnet.
Gleichzeitig mit den Ein/Ausschaltern wird der einstellbare Vorwiderstand 41 verstellt. Über den einstellbaren Widerstand 40 kann die Stromstärke und damit die jeweilige Magnetkraft in den Magneten 19 bzw. 20 eingestellt werden. Unabhängig von den Ein/Ausschaltern 38, 39 und den einstellbaren Widerständen 40, 41 ist den Elektromagneten 19, 20 ein Impulsgenerator III zugeschaltet. Der Impulsgenerator hat zwei Ausgänge, wobei jeweils ein Ausgang dem einen bzw. dem anderen Elektromagneten zugeschaltet ist.
Der Impulsgenerator III wird durch einen besonderen Schalter unabhängig von den für die Steuersignale massgebenden Stromkreisen betätigt.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Impulsgenerators III.
Er besteht aus einem astabilen Vibrator, der als Ausgangssignal eine dauernde Impulskette an zwei zueinander parallel geschaltete monostabile Vibratoren liefert, wobei der erste monostabile Vibrator von der Ein-Flanke der Impulse des astabilen Vibrators und der andere monostabile Vibrator von der Aus-Flanke des astabilen Vibrators angesteuert wird. Die Impulsdauer beider monostabiler Vibratoren ist einstellbar.
Fig. 3a zeigt die zeitliche Zuordnung der Ausgangssignale des astabilen Vibrators (oben) und der beiden monostabilen Vibratoren. Die Impulse der monostabilen Vibratoren sind nach Frequenz, Impulsdauer und Amplitude identisch, sie erfolgen jedoch im Gegentakt und ohne Impulsüberlagerung.
Die Dioden 4346 dienen dazu, die Steuerstromkreise der Elektromagneten und die Stromkreise des Impulsgenerators III zu entkoppeln. Die übrigen Dioden dienen dem Schutz der elektronischen Bauteile vor Schaltstromstössen.
Geeignete Schaltungen für einen astabilen Vibrator sind enthalten in z. B. LUEGER Lexikon der Technik, Elektrotechnik und Kerntechnik Grundlagen Hamburg 1971. Die Schaltung für zeiteinstellbare mono stabile Vibratoren ergibt sich z. B. aus BERNHARD, Digitale Steuerungstechnik Würzburg 1964, Seite 40, 41. Die Elektromagnete 19, 20 erhalten also unabhängig davon, ob mit welcher Intensität das Vorsteuerventil angesteuert wird, eine Kette von gegenläufigen Impulsen aufgeprägt, was zu einer ständigen Vibration des Steuerkolbens 22 führt. Dadurch wird Haftreibung vermieden.
Durch Leckage in die Ringspalte eingeschleppte Verunreinigungen werden sofort zerstört und sodann ausgespült. Durch die Symmetrie der durch den Impulsgenerator III ausgelösten Impulse wird verhindert, dass der Steuerkolben 22 in der einen oder anderen Richtung driftet.
In diesem Ausführungsbeispiel werden als Stellmotoren Elektromagnete verwandt. Der Vorsteuerkolben 22 kann jedoch auch pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch verstellt werden. Ebenso ist es möglich, die Stellkraft nur durch einen in beide Bewegungsrichtungen aktivierbaren Stellmotor aufzubringen. Weiterhin können die Bewegungsimpulse nicht nur - wie es anhand der folgenden Fig. 2 und 3 beschrieben ist, durch den Stellmotor ausgeübt werden, indem parallel zum Steuersignal zusätzliche Impulse auf den Stellmotor ausgeübt werden. Es ist vielmehr auch möglich, den Stellmotor lediglich mit dem Steuersignal zu beaufschlagen und parallel zu dem Kraftschluss zwischen Stellmotor und Steuerkolben eine zweite pulsierende Kraft auf den Steuerkolben auszuüben.