DE10039936A1 - Ventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit mindestens einem Pumpen- (10), einem Tank- (14) und einem Verbraucheranschluß (18) und mit einem innerhalb des Ventilgehäuses (12) verfahrbaren Ventilkolben (22), der in mindestens einer Sperrstellung den Pumpenanschluß (10) vom Tankanschluß (14) trennt und der mit einem Kraftspeicher (24) zusammenwirkt, wobei mittels einer Steuereinrichtung (16) ein zwischen dem Verbraucheranschluß (18) und dem Tankanschluß (14) sich einstellender Fluidstrom ansteuerbar ist. Dadurch, daß die Steuereinrichtung (26) aus einem Fluidstromregler besteht, der im Ventilkolben (22) integriert ist, ist es möglich, im Gegensatz zu den bekannten Ventillösungen mit der Blendenkonstruktion den Volumenstrom zum Verbraucher lastunabhängig um einen konstanten Wert zu reduzieren, so daß eine proportionale lastunabhängige Steuerung realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit mindestens einem Pumpen-, einem Tank- und einem Verbraucheranschluß und mit einem innerhalb des Ven­ tilgehäuses verfahrbaren Ventilkolben, der in mindestens einer Sperrstellung den Pumpenanschluß vom Tankanschluß trennt und der mit einem Kraftspeicher zusammenwirkt, wobei mittels einer Steuereinrichtung ein zwischen dem Verbraucheranschluß und dem Tankanschluß sich einstel­ lender Fluidstrom ansteuerbar ist.

Dahingehende Ventile werden regelmäßig in sogenannten hydraulischen Load-Sensing-Systemen oder Steuerungen eingesetzt und funktionieren dort in der Art einer Druckwaage, die einen nicht benötigten Pumpenförder­ strom mit geringem Druckverlust zum Tank hin zurückleiten. Um zu ver­ meiden, daß die im Verbraucherkreis auftretenden Leckagen den Verbrau­ cherdruck auf das Leistungsniveau der Pumpe anheben und damit gegebe­ nenfalls das Load-Sensing-System außer Kraft setzen, ist der Verbraucheran­ schluß zum Tank hin zu entlasten. Die dahingehende Entlastung wird heut­ zutage kostengünstig durch eine Blendensteuerung realisiert, wobei die Blende vorzugsweise unmittelbar in der Druckwaage integriert ist oder separat in einem Ansteuerblock eingesetzt wird, der Teil der Load-Sensing- Steuerung ist.

Nachteilig an diesen bekannten Lösungen mit der Blendenkonstruktion ist die Druckabhängigkeit des zum Tank abfließenden Volumenstromes. Bei Verbrauchern, deren Volumenstrom lastunabhängig, beispielsweise über Proportionalventile, gesteuert wird, führt dies dann zu einer stetigen Ver­ langsamung des Verbrauchers mit zunehmendem Lastdruck, was sich be­ sonders negativ bei Verbrauchern mit geringem Volumenstrom auswirkt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventile dahingehend weiter zu verbessern, daß sie die beschriebenen Nachteile, insbesondere beim Einsatz in sog. Load- Sensing-Systemen, nicht aufweisen. Ferner soll das Ventil sich kostengünstig realisieren lassen und einen geringen Platzbedarf einnehmen. Eine dahin­ gehende Aufgabe löst ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Steuereinrichtung aus einem Fluidstromregler besteht, der im Ventilkolben integriert ist, ist es möglich, im Gegensatz zu den bekannten Ventillösungen mit der Blendenkonstruktion den Volumenstrom zum Verbraucher last­ unabhängig um einen konstanten Wert zu reduzieren, so daß eine propor­ tionale lastunabhängige Steuerung realisiert ist. Die beschriebenen Nachtei­ le im Stand der Technik, insbesondere in Form einer Verlangsamung des Verbrauchers, sind somit mit Sicherheit ausgeschlossen. Die erfindungsge­ mäße Lösung mit Fluidstromregler läßt sich kostengünstig realisieren und durch die Integrierung des Fluidstromreglers im Ventilgehäuse ist ein platz­ sparender Einbau im Ventil selbst möglich. Da das erfindungsgemäße Ventil mit nur wenig Baukomponenten auskommt, ist darüber hinaus ein funktionssicherer Betrieb gewährleistet, der dem gesamten Load-Sensing-System zugute kommt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Ventil anhand der Zeichnung nä­ her erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstel­ lung die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Ventil;

Fig. 2 in der Art einer Schaltdarstellung den Einsatz des Ventils nach der Fig. 1 bei einem Load-Sensing-System mit einem Arbeitszy­ linder als hydraulischen Verbraucher.

Das in der Fig. 1 im Längsschnitt gezeigte Ventil weist einen Pumpenan­ schluß 10 auf, und zwar am vorderen stirnseitigen Ende eines Ventilgehäu­ ses 12, das in der Art einer Einschraubpatrone ausgebildet ist, um derart in Steuerblöcken od. dgl. für seine spätere Verwendung festgelegt zu werden. Die Ausgestaltung in Form eines Einbausets od. dgl. ist ebenfalls möglich. An seinem dem Pumpenanschluß 10 zugewandten Ende weist das Ventil­ gehäuse 12 zwei einander diametral gegenüberliegende erste Tankan­ schlüsse 14 auf. In Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen darüberliegend ist in der linken Bildhälfte ein weiterer separater Tankanschluß 16 angeordnet, dessen freier Öffnungsquerschnitt kleiner ist als der entsprechende Durchmesserbereich der ersten Tankanschlüsse 14. Wiederum darüberliegend ist eine weitere Querbohrung in das Ventilgehäuse 12 eingebracht, die als Verbraucheranschluß 18 dient. Die Tankanschlüsse 14 und 16 sind gleich­ falls vorzugsweise aus Querbohrungen indem Ventilgehäuse 12 gebildet. Die angesprochenen Anschlüsse 14, 16 und 18 verlaufen im wesentlichen quer zur Längsachse 20 des Ventilgehäuses 12. Der Pumpenanschluß 10 hingegen ist entlang der Längsachse 20 des Ventilgehäuses 12 an diesem stirnseitig angeordnet.

In dem Ventilgehäuse 12 längsverfahrbar ist ein Ventilkolben 22 angeord­ net, der außenumfangsseitig in üblicher und daher nicht näher beschriebe­ ner Weise mit Druckentlastungskanälen versehen ist. In einer seiner gezeig­ ten Sperrstellungen gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 trennt er jeden­ falls den Pumpenanschluß 10 vom Tankanschluß 14. Ferner wirkt der Ven­ tilkolben 22 mit einem Kraftspeicher 24 zusammen, wobei mittels einer als Ganzes mit 26 bezeichneten Steuereinrichtung ein zwischen dem Verbrau­ cheranschluß 18 und dem Tankanschluß 14 sich einstellender Fluidstrom ansteuerbar ist. Die angesprochene Steuereinrichtung 26 besteht insbeson­ dere aus einem Fluidstromregler, der im Ventilkolben 12 integriert ist und der im Hinblick auf seinen Aufbau und seine Funktion im folgenden noch näher erläutert werden wird.

Der angesprochene Fluidstromregler weist einen Stromreglerkolben 28 auf, der in dem Ventilkolben 22 längsverfahrbar geführt ist, wobei der Innenum­ fang des Ventilkolbens 22 den Außenumfang des Stromreglerkolbens 28 umfaßt. Der Stromreglerkolben 28 stützt sich wiederum an einem weiteren Kraftspeicher 30 ab, dessen Wirkrichtung entgegen dem ersten Kraftspei­ cher 24 gerichtet ist. Entlang der Längsachse 20 des Ventilgehäuses 12 und mithin mittig weist der Stromreglerkolben 28 einen Fluidkanal 32 auf, der zumindest in einer Verschiebestellung des Stromreglerkolbens 28 gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 in einen Fluidkanal 34 des Ventilkolbens 22 mündet, der in der Fig. 1 gezeigten Verschiebestellung wiederum eine fluid­ führende Verbindung mit dem separaten Tankanschluß 16 im Ventilgehäu­ se 12 herstellt. In jeder Verschiebestellung des Ventilkolbens 22 trennt die­ ser die ersten Tankanschlüsse 14 von dem weiteren separaten Tankanschluß 16.

Der Fluidkanal 32 des Stromreglerkolbens 28 ist auf seiner dem Verbrau­ cheranschluß 18 zugewandten Seite von einem Steuerkolben 36 ver­ schließbar, der in Richtung dieser Schließstellung über den ersten Kraftspei­ cher 24 gehalten ist. An seinem dahingehenden Ende verfügt der Fluidkanal 32 über eine Einschnürung und mündet, wie die Darstellung nach der Fig. 1 zeigt, mit einem verringerten Querschnitt stirnseitig ins Freie. Der ange­ sprochene Steuerkolben 36 weist als Anlageteil eine Kalotte 38 auf, die in der Art einer Halbkugel ausgebildet ist und mit ihrer gekrümmten stirnseiti­ gen Eingriffsfläche für den fluidführenden Eingriff in den Fluidkanal 32 des Stromreglerkolbens 28 vorgesehen ist. In der gezeigten Darstellung und in jeder anderen Schaltstellung läßt die Kalotte 38 das angesprochene freie Ende des Fluidkanals 32 mit seinem reduzierten Querschnitt für einen Fluiddurchtritt frei. In Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen ist oberhalb der Kalotte 38 eine flanschartige Ringverbreiterung 40 angeordnet, an der sich mit ihrem einen freien Ende die Druckfeder abstützt, die den ersten Kraftspeicher 24 bildet. Das andere freie Ende der Druckfeder als Kraftspei­ cher 24 ist in Anlage mit einem Abschlußstopfen 42, der an dem dem Pumpenanschluß 10 gegenüberliegenden Ende in das Ventilgehäuse 12 eingeschraubt und derart festgelegt ist. Der Steuerkolben 36 weist an sei­ nem dem Abschlußstopfen 42 zugewandten Ende eine Anschlagfläche 44 auf, die im üblichen Betriebszustand des Ventils jedoch einen axialen Abstand in Längsrichtung der Längsachse 20 gesehen zu dem Abschlußstopfen 42 einhält.

Unter der Einwirkung des Kraftspeichers 24 sowie des Steuerkolbens 36 wird der Stromreglerkolben 28 in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen nach unten in Richtung einer unteren Stellung gehalten. Der dahingehenden Wirkrichtung entgegenwirkend ist innerhalb des Steuerverbundes von Stromreglerkolben 28 und Ventilkolben 22 ein weiterer, als Druckspeicher ausgebildeter Kraftspeicher 30 vorhanden, der sich mit seinem einen unte­ ren Ende am Ventilkolben 22 und mit seinem anderen Ende derart am Stromreglerkolben 28 abstützt, daß er in den Fluidkanal 32 des Stromreg­ lerkolbens 28 eingreift. Für den dahingehenden Eingriff ist der Fluidkanal 32 des Stromreglerkolbens 28 zu seinem unteren freien Ende hin im Durchmesser verbreitert.

Der Stromreglerkolben 28 ist im Inneren des Ventilkolbens 22 geführt, der hierfür eine zylindrische Innenausnehmung aufweist, wobei bei einer her­ gestellten Fluidverbindung zwischen dem separaten Tankanschluß 16, dem Fluidkanal 34 und dem Fluidkanal 32 die oberen stirnseitigen Enden von Ventilkolben 22 und Stromreglerkolben 28 im wesentlichen plan in einer Ebene miteinander abschließen, die quer zur Längsachse 20 verläuft. In der dahingehenden Schaltanordnung weist das untere freie Ende des Stromreg­ lerkolbens 28 derart eine axialen Abstand zu dem unteren Aufnahmeboden des Ventilkolbens 22 auf, daß entlang eines Radialabsatzes des Stromreg­ lerkolbens 28 dieser bündig mit der Oberkante desjenigen Teils des Fluid­ kanals 34 abschließt, der dem Inneren des Ventilkolbens 22 zugewandt ist. Die demgegenüber abgewandte Seite des Fluidkanals 34 verbreitert sich in einer Ringausnehmung 46, die mit ihrer Oberkante im wesentlichen bündig in der gezeigten Schaltdarstellung nach der Fig. 1 mit dem separaten Tankanschluß 16 abschließt. Des weiteren ist das untere freie Ende des weiteren Kraftspeichers 30 in Form der Druckfeder in einer bodenseitigen Innenaus­ nehmung des Ventilkolbens 22 aufgenommen und derart lageabgestützt. Der Verbraucheranschluß 18 mündet in einen Ventilraum 48 des Ventilge­ häuses 12, der von dem Steuerkolben 36 und dem ersten Kraftspeicher 24 durchgriffen ist. Des weiteren weist das Ventilgehäuse 12 für den Ventilkol­ ben 22 auf seiner dem Ventilraum 48 zugewandten Seite eine Anschlagflä­ che 50 auf, beispielsweise gebildet durch den Einsatz eines nicht näher dargestellten Sprengringes. Damit ist der Ventilkolben 22 frei in Blickrich­ tung auf die Fig. 1 gesehen nach unten in Richtung des Pumpenanschlusses 10 zu verfahren und in der entgegengesetzten Richtung ist der Verfahrweg begrenzt.

In Abhängigkeit von den Lastdrücken am Verbraucheranschluß 18, den man auch als Lastanschluß bezeichnet, wird entgegen der Wirkung der Kraftspeicher 24 und 30 die Kalotte 38 als Schließteil zurückgedrängt und/oder der Stromreglerkolben 28 in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen nach unten innerhalb des Ventilkolbens 22 verfahren, so daß der Fluidkanal 32 vollständig freigegeben ist. Die angesprochene Anordnung läßt sich da­ bei derart einregeln, daß der Volumenstrom zum Verbraucher lastunabhän­ gig um einen konstanten Wert reduzierbar ist, so daß eine proportionale lastunabhängige Steuerung auch im Fall von auftretenden Leckagen mög­ lich ist.

Wie eine dahingehende proportionale lastunabhängige Steuerung realisier­ bar ist, ergibt sich aus dem prinzipiellen Blockschaltbild gemäß der Darstel­ lung nach der Fig. 2. Diese zeigt ein grundsätzliches Schaltungskonzept ei­ nes sog. Load-Sensing-Systems, wobei bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 als Hydraulikpumpe eine Konstantpumpe 52 Verwendung findet. Anstelle dahingehender Konstantpumpen können auch Verstellpumpen (nicht dargestellt) entsprechend eingesetzt werden. Das angesprochene Load- Sensing soll dazu dienen, eine optimierte Energieausnutzung zu erreichen, wobei der zu einem Regler in Form des Ventils rückgeführte Lastdruck da­ für eingesetzt wird, die hydraulisch angebotene Leistung beispielsweise über die Konstantpumpe 52 und die von einem Verbraucher, hier in Form eines hydraulischen Arbeitszylinders 54, verlangte Leistung aufeinander abzustimmen. In der Regel werden für die Ansteuerung des Verbrauchers, hier in Form des hydraulischen Arbeitszylinders 54, bereits aufgrund des gewünschten Bedienungskomforts proportionale Steuerungselemente einge­ setzt; allein der einfacheren Darstellung wegen wird hier anstelle der Pro­ portional-Steuerventile als Ansteuerteil für den hydraulischen Arbeitszylin­ der 54 eine einstellbare Drossel 56 eingesetzt. Über die dahingehende Steuerdrossel oder Steuerblende 56 läßt sich der Verbrauchervolumenstrom variieren und mithin der Arbeitszylinder 54 betätigen. Der Verbrauchervo­ lumenstrom ergibt sich dabei aus dem freien Drossel-Öffnungsquerschnitt Q und einer Druckdifferenz Δp an der Drossel 56, gemessen an den Ab­ griffspunkten 58 vor und hinter der Drossel 56.

In dahingehenden Load-Sensing-Systemen kommt dem Ventilkolben 22 die Funktion einer Art Druckwaage zu, wobei der Stromreglerkolben 28 als Teil der Steuereinrichtung 26 den Volumenstrom zu dem Verbraucher 54 last­ unabhängig um einen konstanten Wert im Falle von Leckagen im hydrauli­ schen Verbraucherkreis 62 reduziert. Die Differenz Δp, gemessen zwischen den beiden Abgriffspunkten 58, wird mithin durch die Federkraft des Kraftspeichers 24, die an der Druckwaage in Form des Ventilkolbens 22 angreift, vorgegeben und über die Druckwaagenregelung konstant gehalten. Am Ventilkolben 22 als Druckwaage herrscht dann im wesentlichen das Gleichgewicht

Mithin ergibt sich ein unmittelbarer proportionaler Zusammenhang zwi­ schen dem freien Querschnitt Q der Steuerdrossel 56 und dem eigentlichen Verbrauchervolumenstrom. Kommt auf die Zylinderstange 64 des Arbeitszy­ linders 54 eine Zusatzkraft im Sinne einer zusätzlichen Load in Richtung des Verbraucherkreises 62, wird die Druckwaage in Form des Ventilkolbens 22 in ihre in der Fig. 2 gezeigte Sperrstellung gedrückt, bei der der Pumpen­ anschluß 10 vom ersten Tankanschluß 14 getrennt ist und die Konstant­ pumpe 52 liefert auf die Kolbenseite 66 des Arbeitszylinders 54 entspre­ chend die Fluidmenge nach, die benötigt ist, um dem zusätzlichen Lastauf­ kommen entgegenzuwirken. Wird jedoch der Arbeitszylinder 54 in entge­ gengesetzter Richtung entlastet, muß dem dahingehenden Lastaufkommen im Sinne einer konstanten Load entgegengewirkt werden und die Konstant­ pumpe 52, die im übrigen zum Tank 68 hin über ein Druckbegrenzungs­ ventil 60 abgesichert ist, pumpt nunmehr unmittelbar über die freigegebene Verbindung in die ersten Tankanschlüsse 14, wobei dann der Ventilkolben 22 als Druckwaage in einer entsprechend weit angehobenen Verfahrstel­ lung in Richtung des Verbraucheranschlusses 18 zurückgezogen ist (vgl. Fig. 1).

Sind an ein Load-Sensing-System mehrere Verbraucher angeschlossen und von einer gemeinsamen Hydropumpe 52 versorgt, muß eine Verknüpfung der Lastmeldeleitungen vorgenommen werden, um eine entsprechende Load-Sensing-Regelung über die beschriebene Ventilanordnung durchfüh­ ren zu können.

Kommt es im hydraulischen Kreis 62, an den der Verbraucher 54 ange­ schlossen ist, zu Leckagen oder beim Verbraucher 54 selbst, wird über die als Ganzes mit 26 bezeichnete Steuereinrichtung dafür Sorge getragen, daß der Verbraucherdruck nicht auf das Pumpenniveau ungewollt angehoben wird, was zur Folge hätte, daß gegebenenfalls das Load-Sensing außer Kraft gesetzt ist. Dies wird über die Steuereinrichtung 26 vermieden, die den Verbraucheranschluß 18 zum Tank 16 hin entlastet. Durch den Einsatz des Stromreglers wird der Volumenstrom zum Verbraucher lastunabhängig um einen konstanten Wert reduziert, so daß eine proportionale lastunabhängig Steuerung gegeben ist. Mithin ist eine Verlangsamung des Arbeitsprozesses beim Verbraucher 54 mit zunehmendem Lastdruck mit Sicherheit vermie­ den. Durch die Integration des Stromreglers in die Druckwaage ist ein kom­ pakter Aufbau mit wenig Bauteilen realisiert, was der Funktionssicherheit zugute kommt und die Wartungssituation für das erfindungsgemäße Ventil verbessert.

Claims (9)

1. Ventil mit mindestens einem Pumpen-(10), einem Tank-(14) und einem Verbraucheranschluß (18) und mit einem innerhalb des Ventilgehäuses (12) verfahrbaren Ventilkolben (22), der in mindestens einer Sperrstel­ lung den Pumpenanschluß (10) vom Tankanschluß (14) trennt und der mit einem Kraftspeicher (24) zusammenwirkt, wobei mittels einer Steu­ ereinrichtung (26) ein zwischen dem Verbraucheranschluß (18) und dem Tankanschluß (14) sich einstellender Fluidstrom ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (26) aus einem Fluidstromregler besteht, der im Ventilkolben (22) integriert ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom­ regler einen Stromreglerkolben (28) aufweist, der in dem Ventilkolben (22) längsverfahrbar geführt ist und der sich gegen einen weiteren Kraftspeicher (30) abstützt.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler­ kolben (28) einen Fluidkanal (32) aufweist, der zumindest in einer Ver­ schiebestellung des Stromreglerkolbens (28) in einen Fluidkanal (34) des Ventilkolbens (22) mündet, der zumindest in einer Verschiebestellung des Ventilkolbens (22) in einen separaten Tankanschluß (16) im Ventil­ gehäuse (12) mündet, der von dem mit dem Pumpenanschluß (10) ver­ bindbaren Tankanschluß (14) getrennt ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkanal (32) des Stromreglerkolbens (28) auf seiner dem Verbraucheranschluß (18) zugewandten Seite von einem Steuerkolben (36) verschließbar ist, der in Richtung dieser Schließstellung über den ersten Kraftspeicher (24) gehalten ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (36) als Anlageteil eine Kalotte (38) aufweist, die mit ihrer gekrümmten stirnseitigen Eingriffsfläche für einen fluidführenden Eingriff in den Fluidkanal (32) des Stromreglerkolbens (28) vorgesehen ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kraftspeicher (24, 30) als Druckfedern ausgebildet sind und daß der zweite Kraftspeicher (30) sich mit seinem einen Ende am Ven­ tilkolben (22) und mit seinem anderen Ende derart am Stromreglerkol­ ben (28) abstützt, daß er in den Fluidkanal (32) des Stromreglerkolbens (28) eingreift.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Tankanschluß (16) zwischen Verbraucheranschluß (18) und Tankanschluß (14) im Ventilgehäuse (12) angeordnet ist und daß der Verbraucheranschluß (18) in einen Ventilraum (48) mündet, der von dem Steuerkolben (36) mit dem ersten Kraftspeicher (24) durchgriffen ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (22) auf seiner dem Verbraucheranschluß (18) zuge­ wandten Seite mit einer Anschlagfläche (50) versehen ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventilkolben (22) die Funktion einer Druckwaage in einem Load- Sensing-System zukommt und daß der Stromreglerkolben (28) den Volumenstrom zu mindestens einem Verbraucher (54) lastunabhängig um einen konstanten Wert, insbesondere im Falle von Leckagen im hydrau­ lischen Verbraucherkreis (62) reduziert.