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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft vorgesteuerte hydraulische Tellerventile
und betrifft insbesondere elektrisch betriebene Steuerventile mit
einem Kraftrückkopplungsmechanismus.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Landwirtschaftliche
Traktoren und andere Arten von hydraulisch betriebenen Maschinen
umfassen üblicherweise
Komponenten, die durch ein hydraulisches Stellglied, beispielsweise
eine Zylinder/Kolbenanordnung, bewegt werden. Der Kolben gleitet
innerhalb des Zylinders und unterteilt das Zylinderinnere in zwei
Kammern. Durch selektives Einbringen eines unter Druck stehenden
hydraulischen Fluids in die eine Kammer und Entleeren des hydraulischen
Fluids aus der anderen Kammer kann der Kolben dazu gezwungen werden,
sich innerhalb des Zylinders in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.
Eine derartige Bewegung treibt eine zwischen dem Kolben und einer
Maschinenkomponente angebrachte Stange an.
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Bisher
steuerte eine manuell betriebene Ventileinheit den Fluss eines Fluids
hin zu und weg von einem hydraulischen Stellglied. Gegenwärtig gibt es
bei landwirtschaftlichen Ausrüstungen
einen Trend weg von manuellen Ventilen hin zu elektrisch betriebenen
Ventilen. Der elektrische Betrieb macht es nicht nur möglich, dass
die Ventile entfernt von dem Ort des Bedieners angeordnet sein können, sondern
ermöglicht
auch die Computersteuerung der Ventile, was die Bereitstellung differenzierterer
Funktionen ermöglicht.
Bei elektrischen Steuerungen handhabt der Bediener einen Joystick
oder andere Arten elektrischer Eingabevorrichtungen, um Signale an
einen Mikrocomputer-basierten Controller zu schicken, wodurch die
gewünschte
Bewegung der damit verbundenen Komponenten der landwirtschaftlichen Ausrüstung aufgezeigt
wird. Der Controller interpretiert die elektrischen Signale der
Eingabevorrichtung des Bedieners und erzeugt Steuersignale, die
die hydraulischen Ventile antreiben, die ein hydraulisches Stellglied
steuern, das die gewünschte
Bewegung erzeugt.
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Eine
Anordnung proportionaler Solenoidventile, wie sie im US-Patent Nr.
5878647 beschrieben ist, kann zur Steuerung des Fluidflusses hin
zu und weg von dem hydraulischen Stellglied verwendet werden. Ein
Solenoidventil wird geöffnet,
um unter Druck stehendes Fluid zur Zylinderkammer auf einer Seite
des Kolbens zuzuführen,
und ein weiteres Solenoidventil entfernt das Fluid von der gegenüberliegenden
Zylinderkammer in ein Reservoir oder einen Tank. Durch eine Veränderung
des Grades, mit dem das Paar der Solenoidventile geöffnet wird,
kann die Flussrate in die verbundene Zylinderkammer variiert werden,
wodurch sich der Kolben mit proportional verschiedenen Geschwindigkeiten
bewegt.
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Solenoidbetriebene
Steuerventile zum Steuern des Flusses eines hydraulischen Fluids
sind bekannt und verwenden eine elektromagnetische Spule, die einen
Anker in eine Richtung zum Öffnen
eines Ventils bewegt. Der Anker wirkt auf ein Steuerventilelement,
das eine Steuerpassage in einem Hauptventilteller öffnet und
schließt.
Das Öffnen
der Steuerpassage reduziert den Druck in einer Steuerkammer hinter
dem Hauptventilteller, was bewirkt, dass sich der Teller von dem
Ventilsitz weg bewegt und den Fluss des Fluids durch das Ventil
ermöglicht.
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Bei
dieser Art eines vorgesteuerten Ventils muss sich das Steuerventilelement
um einen gleichen Abstand bewegen, wie sich der Hauptventilteller
von dem Ventilsitz weg bewegt. Falls der maximale Abstand, den sich
der Hauptventilteller bewegen kann, 5 mm beträgt, muss sich daher das Steuerventilelement
5 mm weg von dem Hauptventilteller in geschlossenem Zustand bewegen
können.
Falls man daher ein Ventil mit einem unterschiedlichen maximalen
Fluss und entsprechender Bewegung des Hauptventiltellers schaffen
will, muss das Steuerventilelement oftmals neu überarbeitet werden, um die Bewegung
bereitstellen zu können.
Daher ist es wünschenswert,
Ventile mit verschiedenen Flusscharakteristiken zu schaffen, ohne
die meisten Komponenten neu auslegen zu müssen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
hydraulisches Ventil umfasst einen Körper, der eine Hauptbohrung
mit einer ersten Öffnung, einer
zweiten Öffnung
und einem dazwischen angeordneten Ventilsitz aufweist. Ein Teller
ist gleitend in der Hauptbohrung angeordnet und definiert eine Steuerkammer
an der von dem Ventilsitz entfernten Seite des Tellers. Der Teller
hat eine Steuerpassage, die sich zwischen der ersten Öffnung und
der Steuerkammer erstreckt. Eine erste Zweigpassage ist in dem Körper von
der zweiten Öffnung
zu einer Öffnung
in der Hauptbohrung ausgebildet. Ein Steuerventilelement gleitet
in der Hauptbohrung, um den Fluss eines Fluids zwischen der Steuerkammer
und der ersten Zweigpassage zu steuern. Eine Rückkopplungsfeder hält den Teller
und das Steuerventilelement auseinander und bringt den Teller in
Eingriff mit dem Ventilsitz. Ein elektrisch gesteuertes Stellglied
steht im Eingriff mit dem Steuerventilelement, um die Verbindung
zwischen der Steuerkammer und der ersten Zweigpassage zu öffnen und
zu schließen.
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Wenn
das Stellglied das Steuerventilelement bewegt, wird der Druck in
der Steuerkammer zur zweiten Öffnung
abgeleitet. Dies erzeugt ein Druckdifferential über den Teller, so dass der
größere Druck
an der ersten Öffnung
den Teller von dem Ventilsitz wegzwingt, wodurch das Ventil geöffnet wird. Eine
Bewegung des Tellers komprimiert die Rückkopplungsfeder, wodurch eine
größere Kraft
auf das Steuerventilelement ausgeübt wird, mit der Tendenz, die
Verbindung zwischen der Steuerkammer und der Zweigpassage zu schließen. Wenn
die Rückkopplungsfederkraft
gleich der auf das Steuerventilelement von dem Stellglied ausgeübten Kraft
ist, nimmt das Steuerventilelement eine Position ein, bei der es den
Fluidfluss von der Steuerkammer zur zweiten Öffnung dosiert. Dieses Dosieren
behält
das existierende Druckdifferential über dem Teller bei, durch das
die Position des Tellers und die derzeitige Flussrate durch das
Ventil gehalten wird. Der Kraftrückkopplungsmechanismus
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
es, dass eine relativ kleine Bewegung des Steuerventilelement eine
größere Bewegung
des Tellers erzeugt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht
durch eine erste Ausführungsform
eines Ventils gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei sich das Ventil in einem geschlossenen Zustand
befindet;
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2 ist eine Querschnittsansicht
des Fluidsteuerabschnitts des Ventils in einem offenen Zustand;
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3 ist eine Querschnittsansicht
durch eine zweite Ausführungsform
eines Ventils mit einer geringen Leckage im geschlossenem Zustand;
und
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4 ist eine Querschnittsansicht
durch ein bidirektionales Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein elektrohydraulisches
Proportionalsteuerventil 30 dargestellt, das in einer Öffnung 32 in
einem Ventilkörper 34 eingesetzt
ist, wobei das Fluid zwischen der Versorgung und Tankleitungen und
einem hydraulischen Stellglied fließt. Das Steuerventil 30 steuert
den Fluss des Fluids unidirektional von einer Einlasspassage 36 zu
einer Auslasspassage 38 und kann zum Steuern eines Fluids
verwendet werden, das hin zu oder weg von einem hydraulischen Stellglied
fließt.
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Das
Steuerventil 30 weist eine rohrförmige Buchse 40 mit
einer longitudinalen Bohrung 42 und quer verlaufenden Öffnungen
auf, die zusammen eine Einlassöffnung 43 in
die longitudinale Bohrung von der Ventilkörpereinlasspassage 36 bilden.
Das offene Ende der longitudinalen Bohrung 42 an der Nase
des Ventils bildet eine Auslassöffnung 46,
die mit der Ventilkörperauslasspassage 38 kommuniziert.
Ein Hauptventilteller 44 ist gleitend innerhalb der Bohrung 42 der
Buchse 40 angeordnet und bewegt sich bezüglich eines
Sitzes 48, der zwischen der Einlassöffnung 43 und der
Auslassöffnung 46 angeordnet
ist. Eine Rückkopplungsfeder 50 drückt den Teller 44 gegen
den Sitz 48, um das Steuerventil 30 zu schließen. Eine
Steuerpassage 45 mit einer Auslassöffnung 47 erstreckt
sich durch den Teller 44 und verbindet die Einlassöffnung 43 mit
einer Steuerkammer 49 auf der von dem Ventilsitz 48 abgewandten Seite
des Tellers.
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Das
andere Ende der Rückkopplungsfeder 50 steht
in Eingriff mit einem Steuerventilelement in der Form einer becherförmigen Haspel 52,
die gleitend in einer Bohrung 53 eines Steuerkörpers 54 aufgenommen
ist. Der Steuerkörper 54 ist
in die Öffnung 32 des
Ventilkörper 34 eingeschraubt
und stößt an die
Buchse 40, um letztere Komponente in der Körperöffnung zu
halten. Die entsprechenden Bohrungen 42 und 53 der
rohrförmigen
Buchse 40 und der Steuerkörper 54 bilden gemeinsam
eine Hauptbohrung innerhalb des Ventils. Eine Zweigpassage 56 erstreckt
sich von der Auslasspassage 38 durch den Ventilkörper und
den Steuerkörper 54 und
hat zwei Mündungen 57,
die sich in die Bohrung 53 des Steuerkörpers 54 öffnen. Die
Steuerventilhaspel 52 hat eine sich quer hindurch erstreckende
Steueröffnung 58,
die sich mit dem Gleiten der Steuerventilhaspel 52 in der
Bohrung 53 mit der Zweigmündung 57 in Verbindung
setzt und diese abbricht.
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Das
Steuerventil 30 wird von einem elektrischen Stellglied 60 betrieben,
das eine Solenoidspule 62 aufweist, die auf einem nicht
magnetischen Spulenkörper 64,
vorzugsweise aus einem Kunststoff, aufgewickelt ist. Die Solenoidspule 62 wird
von einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) angesteuert, das einen
Arbeitszyklus hat, der zur Bewegung des Tellers 44 in eine
gewünschte
Position in dem Ventilkörper 40 variiert
wird, wie dies beschrieben werden wird. Eine Kupfer- oder Messingbuchsenröhre 63 erstreckt
sich innerhalb und im wesentlichen entlang der gesamten Länge des
Spulenkörpers 64.
Die Buchsenröhre 63 wirkt
als abschattende Spule, die die Eingangsimpedanzcharakteristik der Solenoidspule 62 ändert, so
dass diese mehr als ein Widerstand und weniger als eine Drossel
wirkt. Im Ergebnis linearisiert die Buchsenröhre 63 die Beziehung
zwischen dem Arbeitszyklus des PWM-Treibersignals und dem RMS-Strom
dieses Signals, wenn eine Klemmdiode in der elektronischen Schaltung verwendet
wird, die die Solenoidspule 62 treibt. Dies verbessert
die Steuerbarkeit des Solenoidstroms und daher die Position des
Ankers 66 und des Ventiltellers 44. Ein magnetisch
leitender Polbescher 68 erstreckt sich um die Spule und
die Spulenkörpereinheit.
Der metallene Steuerkörper 54 schließt das offene
Ende des Polbeschers 68, wodurch der magnetische Schaltkreis
des Stellgliedes 60 komplettiert ist. Der bewegliche Anker 66 des
Stellgliedes 60 kann innerhalb des Spulenkörpers 64 gleiten.
Der Anker 66 springt aus dem Spulenkörper in die Bohrung 53 des Steuerkörpers 54 hervor
uns stößt gegen
die Steuerventilhaspel 52.
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Eine
Kunststoffhülle 70 ist
um das elektrische Stellglied 60 gegossen und steht nach
außen über. Ein
elektrischer Verbinder 72 ist an dem entfernten Ende des überstehenden
Abschnitts der Hülle 70 ausgebildet.
Der elektrische Verbinder 72 weist ein Paar Anschlüsse auf,
die mittels Drähten
(nicht dargestellt) mit der Solenoidspule 62 verbunden
sind. Die Steuerschaltung, die das PWM-Signal zum Treiben des Ventils 30 erzeugt,
ist mit dem elektrischen Verbinder 72 verbunden.
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Weiter
zeigt 1, dass die Rückkopplungsfeder 50 den
Teller 44 gegen den Ventilsitz 48 zwingt, wodurch
der Fluidfluss zwischen der Eingangsöffnung 43 und der
Ausgangsöffnung 46 unterbrochen wird,
wenn das elektrohydraulische Steuerventil 30 nicht von
dem das Solenoidstellglied 60 beaufschlagenden elektrischen
Strom aktiviert ist. In diesem energielosen Zustand drückt die
Rückkopplungsfeder 50 ebenfalls
die Steuerventilhaspel 52 in der Zeichnung nach oben, so
dass die Steueröffnung 58 sich nicht
in die Zweigmündung 57 öffnet, die
zur Auslasspassage 38 in dem Ventilkörper 34 führt. Ohne
einen Weg zwischen der Steuerkammer 49 und der Auslasspassage 38 ist
der Druck innerhalb der Steuerkammer gleich dem Druck in der Einlassöffnung 43,
wie er durch die Tellersteuerpassage 45 beaufschlagt wird.
Mit diesen angeglichenen Drücken
verhindert die Kraft von der Rückkopplungsfeder 50 die Bewegung
des Tellers 44 weg von dem Ventilsitz 48 und hält das Ventil 30 in
dem geschlossenen Zustand.
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Bezugnahmen
auf richtungsmäßige Verhältnisse
und Bewegungen, wie beispielsweise oben und unten, beziehen sich
auf Verhältnisse
und Bewegungen der Komponenten in der in den Zeichnungen dargestellten
Orientierung, die nicht die Orientierung der Komponenten sein mag,
wenn sie an der Vorrichtung angeordnet sind.
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In 2 bewirkt die Beaufschlagung
des elektrischen Stromes auf die Solenoidspule 62 die Bewegung
des Ankers 66 nach unten. Die Bewegung drückt die
Steuerventilhaspel 52 nach unten, so dass der Steueröffnung 58 mit
der Zweigmündung 57 kommuniziert,
wodurch ein Fluidweg zwischen der Steuerkammer 49 und der
Auslasspassage 38 des Ventilkörpers geöffnet wird. Dies treibt das
Fluid aus der Steuerkammer 49, wodurch deren Druck auf
unterhalb dem der Einlassöffnung 53 abgesenkt
wird. Daher übersteigt
der auf die kreisförmige
Oberfläche 76 des
Tellers 44 wirkende größere Einlassöffnungsdruck
die Rückkopplungsfederkraft
und bewegt den Teller weg von dem Ventilsitz 48. Folglich öffnet sich das
Ventil 30.
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Die
Bewegung des Tellers 44 komprimiert die Rückkopplungsfeder 50,
was die durch diese Feder ausgeübte
Kraft auf die Steuerventilhaspel 52 und den Anker 66 erhöht. Durch
die Erhöhung
der Federkraft bewegen sich die Steuerventilhaspel 52 und
der Anker 66 in Richtung der Solenoidspule, was die Größe der Öffnung zwischen
der Zweigmündung 57 und der
Steueröffnung 58 verringert.
Schließlich
gleicht die Federkraft die von dem Solenoidstellglied 60 erzeugte
Kraft aus, wobei an diesem Punkt der Teller 44 und die
Steuerventilhaspel 52 stoppt. In dieser Gleichgewichtsposition
erzeugt die Größe der Öffnung zwischen
der Steueröffnung 58 in
der Steuerventilhaspel und der Zweigmündung 57 in dem Steuerkörper ein
Druckdifferential über
dem Teller, das den Teller in der Position hält, in der der gewünschte Fluidfluss
durch das Ventil 30 auftritt.
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Um
daher das Ventil zu öffnen,
muss sich die Steuerventilhaspel 52 nur um einen relativ
kleinen Abstand bewegen, der ausreichend ist, um eine Verbindung
zwischen der Steueröffnung 58 und
der Zweigmündung 57 herzustellen.
Diese relativ kleine Bewegung ist in der Lage, eine viel größere Bewegung
des Tellers 44 zu erzeugen, wobei das Verhältnis der
Abstände,
in der sich diese beiden Komponenten bewegen, eine Funktion der
Rückkopplungsfederkraft
ist. Daher kann das Bewegungsverhältnis durch Veränderung
der Rückkopplungsfederkraft
geändert
werden. Mit anderen Worten, der Teller 44 kann so ausgelegt
werden, dass er sich für
die gleiche Bewegung der Steuerventilhaspel 52 weiter weg bewegt,
indem eine schwächere
Rückkopplungsfeder 50 eingesetzt
wird. Gleichermaßen
kann die Verwendung einer stärkeren
Rückkopplungsfeder 50 die Distanz
verringern, um die sich der Teller 44 für einen vorgegebenen Wert der
Bewegung der Steuerventilhaspel 52 bewegt.
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Zum
Schließen
des Ventils wird die Solenoidspule von der Stromzufuhr abgeschaltet,
was den Rückzug
des Ankers in den Spulenkörper
auf Grund der Kraft der Rückkopplungsfeder 50 bewirkt.
Der Rückzug
des Ankers bewirkt, dass sich die Steuerventilhaspel in die Position
bewegt, die in 1 dargestellt
ist, in der sich die Steueröffnung 58 nicht
länger
in die Zweigmündung 57 öffnet. Daher
wird die Steuerkammer 59 von der Zweigpassage 56 abgeschottet,
die zur Auslasspassage 38 verbindet. Dies bewirkt, dass
auf Grund der Verbindung durch die Steuerpassage 45 in
dem Teller der Druck in der Steuerkammer 49 auf den Druck
an der Einlassöffnung 43 ansteigt.
Daher wird der Druck in der Steuerkammer 49 gleich dem
Druck, der auf die Telleroberfläche 76 wirkt,
was es der zusätzlichen
Kraft der Rückkopplungsfeder
ermöglicht,
den Teller 44 gegen den Ventilsitz 48 zu bewegen,
um das Ventil 30 zu schließen.
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Obwohl
das Ventil 30 für
viele Anwendungen ausreichend ist, tritt ein gewisser Anteil von
Leckage zwischen der Steueröffnung 58 in
der Steuerventilhaspel 52 und der benachbart angeordneten
Zweigmündung 57 in
dem in 1 dargestellten
geschlossenen Zustand des Ventils auf. Dieser Leckageweg ermöglicht es,
dass Fluid von der Einlassöffnung 43 durch
die Steuerpassage 45 in die Steuerkammer 49 fließt, von
der das Fluid dann zwischen die Steueröffnung 58 und die
Zweigmündung 57 leckt
und weiter durch die Zweigpassage 56 in die Auslasspassage 38 leckt.
Derartige Leckage tritt trotz präziser
Herstellung der Bohrung 53 in dem Steuerkörper 54 der Steuerventilhaspel 52 auf.
Dieser Anteil an Leckage kann in einigen Anwendungen des vorliegenden Rückkopplungskraftventils
nicht tolerierbar sein.
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3 zeigt ein alternatives
Ventil 100, das ein Steuerventil 101 mit einer
reduzierten Leckage verwendet. Andere Komponenten des Ventils 100, die
identisch mit entsprechenden Komponenten des Ventils 30 in 1 sind, sind mit den gleichen
Bezugsziffern versehen.
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Das
Steuerventil 101 umfasst eine Haspel 102 in zylindrischer
Form mit einer sich darin erstreckenden zylindrischen Bohrung 104.
Die Steueröffnung 106 schafft
eine Passage zwischen der zentralen Bohrung 104 und den
Zweigmündungen 57 in dem
Steuerkörper 54,
falls die Steuerventilhaspel richtig positioniert ist, wie dies
im Folgenden beschrieben wird. Ein Schließstößel ist innerhalb der Bohrung 104 der
Steuerventilhaspel 102 angeordnet. Der Schließstößel hat
einen zentralen Abschnitt 110, der einen verringerten Durchmesser
aufweist, um eine Passage innerhalb der Bohrung 104 zu
schaffen. Ein Ende des Schließstößels 108 steht über der Steuerventilhaspel 102 vor
und stößt an den
Anker 112 des Solenoidstellglieds 60. Das andere
Ende des Schließstößels 108 steht über das
entgegengesetzte Ende der Steuerventilhaspel 102 vor und
hat einen Abschnitt 114 mit einer konischen Form, die das Ende
der zentralen Bohrung 104 im dargestellten geschlossenen
Zustand des Ventils verschließt.
Eine Vorspannungsfeder 116 ist in Eingriff mit dem konisch
geformten Abschnitt 114 und dem Boden einer Bohrung innerhalb
des Hauptventiltellers 118, um den Schlieflstößel 108 gegen das
Ende der Steuerventilhaspel zu drücken. Die Rückkopplungskraftfeder 120 erstreckt
sich ebenfalls zwischen der Bohrung des Ventiltellers 118 und
dem benachbarten Ende der Steuerventilhaspel 102. Ein Schnappring 115,
der quer über
die Bohrung innerhalb des Steuerventilkörpers 54 angeordnet
ist, schafft einen Anschlag, der die Bewegung der Steuerventilhaspel 102 in
Richtung auf das Solenoidstellglied 60 begrenzt.
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Der
zylindrische Anker 112 des Solenoidstellgliedes 60 ist
gleitend innerhalb des Spulenkörpers 64 angeordnet,
um den die Solenoidspule 62 gewickelt ist. Der Anker 112 hat
mehrere longitudinale Öffnungen 122,
die einen Weg zum Fließen
des Fluids zwischen den Kammern 124 und 126 auf
gegenüberliegenden
Seiten der Armatur bilden. Die Passagen 122 stellen sicher,
dass der Druck auf gegenüberliegenden
Seiten des Ankers gleich sein wird, so dass dessen Bewegung nicht
behindert wird. Der Steuerventilkörper 54 weist ferner
eine Druckverringerungspassage 117 auf, die sich zwischen
der Steuerkammer 49 und der Kammer 126 zwischen dem
Anker und der Steuerventilhaspel 102 erstreckt. Die Passage 117 stellt
sicher, dass der Druck auf gegenüberliegenden
Seiten der Steuerventilhaspel 102 gleich sein wird, so
dass deren Bewegung nicht von einem Druckdifferential beeinflusst
wird.
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Ausgehend
vom dem in 3 dargestellten, geschlossenen
Ventilzustand bewirkt die Beaufschlagung der Solenoidspule 62 mit
Strom ein elektronisches Feld, das den Anker 112 in Richtung
auf die Steuerventilhaspel 102 treibt. Diese Bewegung zwingt
den Schließstößel 108 in
der Orientierung des Ventils 100 in 3 nach unten. Somit wird der konische
Abschnitt 114 der Schließspule weg von dem Ende der
Steuerventilhaspel 102 gedrückt, durch die sich die Haspelbohrung 104 in
die Steuerkammer 49 öffnet.
Nun ist Fluid von der Steuerkammer verfügbar, um in die Haspelbohrung 104 einzutreten.
Durch dien weitere Abwärtsbewegung
des Ankers 112 kommt dieser schließlich in Eingriff mit der Steuerventilhaspel 102,
so dass der Anker direkt die Steuerventilhaspel 102 weiter
in Richtung des Tellers 118 drückt. In dem Maße, in dem
die Steuerventilhaspel 102 ihre Bewegung fortsetzt, beginnt
sich deren Steueröffnung 106 in
die Zweigmündung 57 zu öffnen, wodurch
eine Verbindung zwischen der Steuerkammer 49 und der Auslasspassage 38 über die Zweigpassage 56 geschaffen
wird. Dies erzeugt einen Fluidpfad, der den Druck innerhalb der
Steuerkammer 49 verringert. Auf Grund der Einlassmündung 47 in
dem Teller ist nun der Druck innerhalb der Steuerkammer 49 geringer
als der Druck an der Einlassöffnung 43,
wodurch eine Wegbewegung des Tellers von dem Ventilsitz 48 und
ein Öffnen
des Ventils 100 bewirkt wird.
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Während der
Bewegung des Tellers nimmt die von der Rückkopplungsfeder 120 auf
die Steuerventilhaspel 102 ausgeübte Kraft zu. Wenn die Federkraft
ein Gleichgewicht mit der Kraft des Solenoidstellgliedes 60 erreicht,
beendet die Steuerventilhaspel 102 ihre Bewegung. Zu dieser
Zeit hält
das Druckdifferential, das von dem Teller 118 durch den Fluidfluss
von der Steuerkammer 49 durch die Auslasspassage 38 auf
Grund der teilweisen Ausrichtung der Steueröffnung 106 und der
Zweigmündung 57 erzeugt
wurde, die Position des Tellers bei.
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In
dem geschlossenen Zustand des Ventils verhindert der Eingriff des
konischen Abschnitts 114 des Schließstößels 108, dass Fluid
mit dem Versorgungsdruck innerhalb der Steuerkammer 49 in
die Bohrung 104 in diesem Ventilelement eintritt. Die Schnittstelle
zwischen dem konischen Abschnitt und der Steuerventilhaspel 102 bewirkt
einen Verschluss mit relativ geringer Leckage im Vergleich mit dem
Leckagelevel der Ausführungsform
nach 1 zwischen der
Steueröffnung 58 und
der Zweigmündung 57.
Eine Leckage zwischen der entsprechenden Steueröffnung 106 und der
Zweigpassage 56 tritt im Ventil 100 nicht auf,
da das unter Druck stehende Fluid der Steuerkammer 49 die
Steueröffnung
im geschlossenen Zustand des Ventils nicht erreichen kann.
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Das
Schließen
des Ventils geschieht in ähnlicher
Weise, wie dies unter Bezugnahme auf die vorhergehende Ausführungsform
beschrieben wurde. Kurz, das Abschalten der elektrischen Versorgung der
Solenoidspule 62 ermöglicht
es der Kraft der Rückkopplungsfeder 102 die
Steuerventilhaspel 102 nach oben zu drücken, so dass die Steueröffnung 106 nicht
länger
mit der Zweigmündung 57 in
Verbindung steht. Dies beendet den Fluss des Fluids von der Steuerkammer 49 durch
die Zweigpassage 56 zur Auslasspassage 38. Daher
steigt der Druck innerhalb der Steuerkammer 49 auf den
Druckpegel an der Einlassöffnung 43 auf
Grund des Weges durch die Steuermündung 47 an. Wenn
der Druck auf beiden Seiten des Tellers 118 im Gleichgewicht
ist, drückt
die Rückkopplungsfederkraft
den Teller gegen den Ventilsitz 48, wodurch das Ventil 100 geschlossen
wird. Zur gleichen Zeit drückt
die Kraft der Vorspannungsfeder 116 ebenfalls den konischen
Abschnitt 114 des Schließstößels 108 gegen das
offene Ende der Bohrung 104 in der Steuerventilhaspel 102, wodurch
das offene Ende geschlossen wird und das Ventil in die in 3 dargestellte Konfiguration
zurückkehrt.
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Die
beiden vorangegangenen Ausführungsformen
sind unidirektionale Ventile, in denen der Fluidfluss nur von der
Einlassöffnung 43 zur
Auslassöffnung 46 in
proportionaler Weise gesteuert wird. 4 illustriert
ein bidirektionales Ventil 200 gemäß der vorliegenden Erfindung,
das den Fluidfluss in beiden Richtungen proportional steuert. Insbesondere weist
der Ventilkörper 201 erste
und zweite Passagen 202 und 204 auf, die sich
in eine Öffnung 226 öffnen, innerhalb
der das Ventil 200 angeordnet ist, um den Fluidfluss zwischen
diesen Passagen zu steuern. Eine erste Zweigpassage 224 erstreckt
sich in dem Ventilkörper 201 zwischen
der zweiten Passage 204 und der Öffnung 226 und weist
ein erstes Prüfventil 220 auf,
das es dem Fluid ermöglicht,
nur in einer Richtung von dieser Öffnung zu der zweiten Passage
zu fließen.
Eine zweite Zweigpassage 230 in dem Ventilkörper 201 erstreckt
sich zwischen der ersten Passage 202 und der Öffnung 226.
Ein zweites Prüfventil 222 ermöglicht es,
dass Fluid durch die zweite Zweigpassage 230 nur von der Öffnung in
die erste Passage 202 fließt.
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Das
Ventil 200 umfasst eine rohrförmige Buchse 210 mit
einer ersten Öffnung 206,
die einen Weg zwischen der ersten Passage 202 des Ventilkörpers und
einer zentralen Bohrung des Ventils schafft. Ein Teller 212 ist
gleitend in der zentralen Bohrung aufgenommen und wird normalerweise
von einer Rückkopplungsfeder 214 gegen
einen Ventilsitz 216 gedrückt, wodurch die Verbindung
zwischen der ersten Öffnung 206 und
einer zweiten Öffnung 208 geschlossen
ist. Der Teller 212 hat eine Steuerpassage 218 mit
einem dritten Prüfventil 228,
das es Fluid ermöglicht,
nur von der ersten Öffnung 206 durch
die Steuerpassage 218 zu einer Steuerkammer 260 auf einer
von dem Ventilsitz 216 entfernten Seite des Tellers zu
fließen.
Ein viertes Prüfventil 232 in
dem Teller 212 ermöglicht
den Fluidfluss nur von der zweiten Öffnung 208 durch die
Steuerpassage 218 in die Steuerkammer 260. Die
dritten und vierten Prüfventile 228 und 232 bilden
eine Ventilanordnung 265, die den Fluidfluss nur in einer
Richtung von den ersten und zweiten Passagen 202 oder 204 in
die Steuerkammer 260 durch die Steuerpassage 218 ermöglicht.
Alternativ kann ein Wechselventil für diese Ventilanordnung 265 anstelle
der dritten und vierten Prüfventile 228 und 232 verwendet
werden, wobei in diesem Fall das Wechselventil den größeren Druck
an einer der ersten oder zweiten Passage 202 oder 204 an
die Steuerkammer 260 überträgt.
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Ein
Steuerkörper 234 ist
innerhalb der Öffnung 226 angeordnet
und steht im Eingriff mit der rohrförmigen Buchse 210,
um letztere Komponente innerhalb des Ventilkörpers 201 zu halten.
Der Steuerkörper 234 hat
eine zentrale Steuerbohrung 236 mit einer ersten Zweigöffnung 238,
die sich durch die erste Zweigpassage 238 zu der Steuerbohrung 236 erstreckt.
Eine zweite Zweigöffnung 239 erstreckt sich
durch die zweite Zweigpassage 230 durch den Steuerkörper 234 zur
Steuerbohrung 236. Eine becherförmige Haspel 240 bildet
das Steuerventilelement und ist innerhalb der Steuerbohrung 236 gleitend
angeordnet. Die Steuerhaspel 240 weist eine Vielzahl von
hindurch verlaufenden Steueröffnungen 235 auf.
Das Ende der Rückkopplungsfeder 214,
das von dem Teller 212 entfernt ist, steht im Eingriff
mit der Steuerventilhaspel 240.
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Ein
lineares Stellglied 246 weist eine Soleniodspule 248 auf,
die innerhalb eines nicht magnetischen Spulenrahmens 250 aufgewickelt
ist, der innerhalb eines magnetisch leitenden Polbechers 252 gehalten
ist, der mit dem Steuerkörper 234 im
Eingriff steht. Ein Anker ist wird gleitend innerhalb des Spulenkörpers angeordnet
und ist in Eingriff mit der äußeren Oberfläche der
Steuerventilhaspel 240. Der elektrische Strom erzeugt ein
elektromagnetisches Feld, das den Anker 254 aus der Solenoidspule 248 in
Richtung des Halbventiltellers 121 bewegt. Die Größe dieses
elektrischen Stroms bestimmt die Distanz, um die sich der Anker 254 aus
der Solenoidspule 248 heraus bewegt, und so die Größe, mit
der sich das Ventil zum proportionalen Steuern des Fluidflusses
zwischen den ersten und zweiten Öffnungen 204 und 204 öffnet, was
beschrieben werden wird.
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Im
stromlosen Zustand der Solenoidspule 248 drückt die
Rückkopplungsfeder 214 die
Steuerventilhaspel 240 gegen den Anker 254. In
dieser Position der Steuerventilhaspel 240 ist die Steuerkammer 260 von
den ersten und zweien Zweigpassagen 224 und 230 getrennt.
Daher wird der größere Druck an
den beiden ersten und zweiten Ventilkörperpassagen 202 und 204 durch
die dritten oder vierten Prüfventile 220 oder 222 auf
die Steuerkammer 260 gegeben. Mit dem gleichen hohen Druck,
der auf beiden Seiten des Tellers 212 existiert, drückt die
zusätzliche Kraft
der Rückkopplungsfeder 214 den
Teller gegen den Ventilsitz 216.
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Unter
der Annahme, dass der Druck an der ersten Passage 202 den
Druck an der zweiten Passage 204 übersteigt, wird der höhere Druck
durch das dritte Prüfventil 228 und
die Tellersteuerpassage 218 an die Steuerkammer 260 weitergeleitet.
Wenn das Solenoidstellglied 246 den Anker 254 bewegt, um
die Steuerventilhaspel 240 in Richtung des Tellers 212 zu
drücken, öffnet sich
eine der Pilotöffnungen 235 in
die erste Zweigöffnung 238 in
dem Steuerkörper 234.
Dies erzeugt einen Weg, durch den Druck in der Steuerkammer 260 über das
erste Prüfventil 220 und
die erste Zweigpassage 224 zur zweiten Passage 204 abgelassen
wird. Dieser Druck in der Steuerkammer 260 wird kleiner
als der in der ersten Passage 202. Anzumerken ist, dass
der größere Druck
in der ersten Passage 202 das zweite Prüfventil 222 in der
zweiten Zweigpassage 230 schließt. Das vierte Prüfventil 232 bleibt
ebenfalls geschlossen.
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Durch
den verringerten Druck in der Steuerkammer 260 drückt der
Druck der ersten Passage 202 den Teller 212 weg
von dem Ventilsitz 216, wodurch ein direkter Fluidfluss
von der ersten Passage zur zweiten Passage 204 hin geöffnet wird.
Die Bewegung des Tellers 212 setzt sich fort, bis die Druckkräfte den
Druck von der Rückkopplungsfeder 214 ausgleichen.
Unter dieser Gleichgewichtsbedingung behält die zwischen der Pilotapparatur 235 und
der ersten Zweigapparatur 238 ausgebildete Mündung ein
Druckdifferential über
dem Teller 212 bei, der das Ventil mit der richten Größe öffnet, um
die gewünschte
Menge an Fluidfluss zu erzielen.
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Wenn
der Druck an der zweiten Passage 204 größer als der Druck an der ersten
Passage 202 ist, wird alternativ der höhere Druck zur Steuerkammer 260 durch
das vierte Prüfventil 232 geleitet.
Wenn nun das Solenoidstellglied 246 die Steuerventilhaspel 240 bewegt,
so dass sich eine Steueröffnung 235 in
die zweite Zweigöffnung 239 in
dem Steuerkörper öffnet, wird
der Druck von der Steuerkammer 260 durch das zweite Prüfventil 222 und
die zweite Zweigpassage 230 zur ersten Passage 202 abgebaut.
Die ersten und zweiten Prüfventile 220 und 228 sind
geschlossen. Mit abgebautem Druck der Steuerkammer drückt der
Druck von der zweiten Passage 204 den Teller weg von dem
Ventilsitz 216, so dass ein direkter Weg für den Fluidfluss
von der zweiten Passage 204 mit höherem Druck zu der ersten Passage 202 geöffnet wird.
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Die
Bewegung des Tellers 212 setzt sich fort, bis der Fluiddruck
die Kraft von der Rückkopplungsfeder 214 ausgleicht.
Bei dieser Gleichgewichtsbedingung hält die zwischen der Steueröffnung 235 und der
zweiten Zweigöffnung 239 ausgebildete
Mündung
ein Druckdifferential über
den Teller 212 bei, was das Ventil um eine geeignete Größe offen
hält, um
die gewünschte
Menge an Fluidfluss zu erzielen.
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Die
vorangegangene Beschreibung ist primär auf die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet. Obwohl einige Aufmerksamkeit auf verschiedene
Alternativen innerhalb des Erfindungsrahmens gerichtet wird, wird
angenommen, dass der Fachmann leicht zusätzliche Alternativen realisieren kann,
die sich aus der Offenbarung der Ausführungsformen der Erfindung
ergeben. Daher soll der Rahmen der Erfindung von den nachfolgenden
Ansprüchen
bestimmt sein und nicht auf die obige Offenbarung beschränkt werden.