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Die
Erfindung betrifft ein Hydraulikventil, bei dem zur Implementierung
einer 3/3-Wege-Ventilfunktion zwei 2/2-Wege-Ventile vorgesehen sind,
und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten,
gattungsbestimmenden Merkmalen.
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Die
3-Stellungsfunktion ist bei derartigen Ventilen in der Regel dadurch
implementiert, dass beide Ventile gemeinsam umschaltbar sind, derart, dass
sie zwar gemeinsam in ihre Sperrstellung steuerbar sind, wodurch
sich diejenige Funktionsstellung des Ventils insgesamt ergibt, in
der sämtliche
Anschlüsse,
nämlich
in der Regel zwei Versorgungsanschlüsse und ein Verbraucheranschluss
gegeneinander abgesperrt sind und jeweils nur eines der beiden 2/2-Wege-Ventile in seine
Durchflussstellung steuerbar ist, mit denen auch die alternativen
Durchflussstellungen des Gesamtventils verknüpft sind, während das andere der beiden
2/2-Wege-Ventile in seiner Sperrstellung gehalten ist.
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Hydraulikventile
dieser Art, auch solche mit anderer Multiplizität der schaltbaren Wege und
möglichen
Funktionsstellungen, werden meist als Schieberventile mit in zylindrischen
Gehäusebohrungen verschiebbaren,
abschnittsweise kolbenförmigen Ventilkörpern realisiert,
wobei die Wege-Schaltfunktionen
bzw. die Freigabe und Absperrung von Durchflusspfaden durch positive
und negative Überdeckungen
von gehäuseseitigen
Steuerkanten mit kolbenseitigen Steuerkanten bedingt ist.
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Bezogen
auf eine "Null"-Überdeckung, in der die – kreisförmigen – gehäuseseitigen
Steuerkanten und die kolbenseitigen Steuerkanten in einer senkrecht
zur zentralen Achse eines Ventils verlaufenden gemeinsamen Ebene
liegen, bedeutet positive Überdeckung
Sperrstellung mit mehr oder weniger großem axialem Abstand der kolbenseitigen
Steuerkante und der gehäuse seitigen
Steuerkante, während negative Überdeckung
Durchflusssteuerung bedeutet mit entsprechend dem Abstand der kolbenseitigen Steuerkante
von der gehäuseseitigen
Steuerkante mehr oder weniger großer lichter Weite eines Ringspaltes, über den
Hydraulikflüssigkeit
zwischen den Steuerkanten hindurchströmen kann.
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Werden
bei solchen Ventilen die Positionen der Nullüberdeckung von gehäuseseitigen
und kolbenseitigen Steuerkanten zur Markierung der Funktionsstellungen
genutzt, so ist es praktisch unvermeidlich, dass in den jeweiligen
Sperrstellungen erhebliche Leckölströme und mit
solchen verknüpfte
Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
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Werden
andererseits im Sinne einer wirksamen Sperrfunktion den Sperrstellungen
Positionen positiver Überlappung
von gehäuseseitigen
und kolbenseitigen Steuerkanten zugeordnet, so müssen entsprechend erhöhte Unschärfen der
Kolbenpositionen und hiermit sinnfällig verknüpfte Nachteile, z.B. hinsichtlich
der Positioniergenauigkeit von Positionierantrieben in Kauf genommen
werden.
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Ausgehend
von einem Hydraulikventil der eingangs genannten Art wird daher
der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegt, ein solches Ventil dahingehend
zu verbessern, dass in Sperrstellungen des Ventils, die der Absperrung
mindestens eines schaltbaren Strömungsfalles
entsprechend eine hermetische oder nahezu hermetische Absperrung
des Strömungsfalles
gegeben ist, und dass eine Positionsunschärfe der jeweiligen Sperrposition
gegenüber
bekannten Ventilen vergleichbarer Auslegung signifikant reduziert
ist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß dem Grundgedanken
der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs
1 und in zweckmäßigen und
vorteilhaften Ausgestaltungen dieses Gedankens durch die Merkmale
der weiteren Ansprüche
gelöst.
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Hiernach
sind die beiden 2/2-Wege-Ventile als Sitzventile ausgebildet, die
in ihrer Sperrstellung hermetisch dicht sind. Hierbei hat eines
der beiden Sitzventile als Ventilsitz eine gehäusefeste Ringrippe, die radial
in eine zentrale Bohrung des Ventilgehäuses hineinragt; als Dichtungskörper ist
eine radial äußere Ringerippe
einer der Grundform nach rohrförmigen
Hülse vorgesehen,
die ihrerseits in Bohrungsabschnitten einer zentralen Gehäusebohrung
druckdicht gleitfähig
verschiebbar ist; das andere Sitzventil hat in einem zu dem ersten
Sitzventil analogen Aufbau als Ventilsitz eine in einem zentralen
Bereich der rohrförmigen
Hülse,
die gleichsam das Gehäuse
dieses Ventils bildet, radial nach innen ragende, innere Ringrippen
und als Dichtungskörper
eine radial nach außen
ragende Ringrippe eines der Grundform nach stangenförmigen Ventilkörperelements,
das in den einander abgewandten Endabschnitten der Hülse druckdicht
gleitfähig
verschiebbar angeordnet ist.
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Dieses "innere" Sitzventil wird
durch eine vorgespannte Ventilfeder, die sich an einem ventilkörperfesten
Stützring,
einerseits, abstützt
und andererseits an dem hülsenförmigen Ventilkörperelement angreift,
in die Sperrstellung gedrängt;
das andere Sitzventil wird durch die Vorspannung einer Rückstellfeder,
die sich an der Innenseite eines rechtwinkelig zur zentralen Achse
des Ventilgehäuses
verlaufenden Bodenteils eines Gehäuseabschlussteils abstützt, und
an einem diesem Bodenteil gegenüber
liegenden Stirnseite des hülsenförmigen Ventilkörperelements
angreift, gleichsam in Öffnungsrichtung
vorgespannt, wobei die Rückstellfeder
und die Ventilfeder dahingehend ausgelegt und aufeinander abgestimmt
sind, dass in den möglichen
Positionen der Ventilkörperelemente
die Federspannung der einseitig am Gehäuse abgestützten Rückstellfeder signifikant niedriger
ist als die Federspannung der zwischen den beweglichen Körperelementen
angreifenden Ventilfeder, jedoch groß genug, um den Ventilkörperverbund
in Öffnungsrichtung
des durch diesen und das Gehäuse
gebildeten Sitzventils zu verschieben, wenn eine Betätigungskraft,
die an dem zentralen Ventilkörperelement
angreift, in hinreichendem Maße
zurückgenommen
wird, was durch Rückzug
eines Betätigungselement
erfolgt, das axial an dem zentralen stangenförmigen Ven tilkörperelement
des durch dieses und das hülsenförmige Ventilkörperelement
gebildeten Ventilkörperverbundes
angreift.
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Das
erfindungsgemäße Hydraulikventil
vermittelt aufgrund seiner insoweit erläuterten baulichen und funktionellen
Eigenschaften den Vorteil der absoluten Dichtigkeit in der Sperrstellung,
welche die möglichen
alternativen Durchflusszustände "scharf" gegeneinander absetzt.
Die Präzision
der Markierung der Sperrstellung entspricht derjenigen der Nullüberdeckung
von Steuerkanten eines Schieberventils, die der Sperrstellung die
Verlaufsebene der Steuerkanten zuordnet, d. h. eine wohl definierte
Ebene, die mit keinerlei Positionsunschärfe behaftet ist. Diese Eigenschaft
des erfindungsgemäßen Ventils
ermöglicht
die Realisierung desselben mit weitestgehend hysteresefreien Kraft-Weg-Kennlinien
und erlaubt die Nutzung günstig
hoher Werte der Kraftverstärkung
mittels des erfindungsgemäßen Ventils
gesteuerter Antriebe.
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In
der durch die Merkmale des Anspruchs 2 angegebenen Gestaltung des
Hydraulikventils und seiner Betätigungseinrichtung
sowie der Art der Positionsrückmeldung
eines mittels des Ventils gesteuerten von einem Hydromotor angetriebenen
Maschinenelements ist das Ventil in der Art eines bekannten Nachlaufregelventils
betreibbar, das mit elektronischer Positions-Sollwertvorgabe und mechanischer Positions-Istwert-Rückmeldung
arbeitet. In dieser Gestaltung eines erfindungsgemäßen Ventils
stellt dieses in einer großen
Zahl von Einsatzfällen
eine preiswerte Alternative zu bekannten Typen von Nachlaufregelventilen
der genannten Art dar.
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Hierbei
kann es besonders vorteilhaft sein, wenn, wie gemäß Anspruch
3 vorgesehen, ein schaltbares Getriebe vorgesehen ist, mittels dessen definierte
Werte des (Übersetzungs-)
Verhältnisses der
Arbeitshübe
zu den Stellhüben
des Betätigungselements
des Ventils vorgebbar sind; es sind relativ große Werte des Übersetzungsverhältnisses
nutzbar, da die Sperrstellung innerhalb sehr enger Toleranzen exakt
vorgegeben werden kann.
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Für eine überwiegende
Zahl von Einsatzfällen
ist es jedoch ausreichend, wenn ein Träger, an dem eine Antriebseinheit
der Betätigungseinrichtung des
Ventils fest anmontiert ist, seinerseits fest mit der Kolbenstange
eines als Leistungsantrieb vorgesehenen linearen Hydrozylinders
verbunden ist.
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Durch
die Merkmale des Anspruchs 5 sind konstruktiv einfache Maßnahmen
zur Implementierung des Ventils für einen Einsatz in Regelungseinrichtung
hinreichenden Proportionalitätseigenschaften
angegeben.
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In
Verbindung hiermit sind durch die Merkmale des Anspruchs 6 günstige Werte
von Kegelwinkeln angegeben, bei deren Wahl innerhalb relativ weit
ausgedehnter Einstellhübe
eine gute – näherungsweise – Proportionalität zwischen
Ventilkörperverstellhub
und Durchflussmenge von Hydraulikmedium gegeben ist.
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Durch
die Merkmale der Ansprüche
7 bis 9 sind alternativ oder in Kombination einsetzbare Gestaltungen
von Dichtrippen der Ventilkörperelemente und
der ihnen am Ventilgehäuse
bzw. an einem der Ventilkörperelemente
zugeordneten Anlageflächen angegeben,
die zu einer guten Dichtwirkung im sperrenden Zustand des Ventils
führen
und auch für
eine gute Annäherung
des Öffnungsverhaltens
des Ventils an einem proportionalen Zusammenhang zwischen Öffnungsquerschnitt
und Ventilkörperhub günstig sind.
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Durch
die Merkmale des Anspruchs 10 wird erreicht, dass im Falle einer
Druckbeaufschlagung eines Ventilkörperelements beidseits der
einander abgewandten Ventilkörperflächen des
beweglichen Ventilkörperelements,
die Kräfte,
die auf den Ventilkörper
ausgeübt
werden, ausgeglichen sind.
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Weitere
Einzelheiten des erfindungsgemäßen Hydraulikventils
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen
Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
Funktionsschema eines hydraulischen Linearantriebes mit einem mittels
eines erfindungsgemäßen Hydraulikventils
gesteuerten Differenzialzylinder, das Ventil im Schnitt in einer
seine zentrale Längsachse
und die zentralen Achsen von Versorgungsanschlüssen enthaltenden Ebene,
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2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild des Linearantriebes gemäß 1;
und
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3 das
Hydraulikventil gemäß 1 in
einer dem Ausfahren der Kolbenstange des Differenzialzylinders zugeordneten
Konfiguration, in einer der 1 entsprechenden,
jedoch vergrößerten Schnittdarstellung.
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Das
in den 1 und 2 jeweils insgesamt mit 10 bezeichnete – erfindungsgemäße – Hydraulikventil
ist in der zur Erläuterung
gewählten
Gestaltung als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet, dessen Aufbau und Funktion
anhand seines Einsatzes zur Steuerung alternativer Bewegungsphasen – Vorschub
und Rückzug – sowie
des Stillstandes eines als doppelt wirkender Linearzylinder 11 vorausgesetzten
hydraulischen Verbrauches erläutert
wird. Ein derartiger Linearzylinder kann z. B. zum Antrieb einer
Presse oder als Vorschubantrieb für ein Werkzeug einer Werkzeugmaschine
eingesetzt sein.
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Der
Linearzylinder 11 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit als
Differenzialzylinder mit einseitig aus dem Zylindergehäuse 12 austretender
Kolbenstange 13 vorausgesetzt, bei dem der Zylinderkolben 14 die
bewegliche Abgrenzung eines bodenseitigen Druckraumes 16 gegen
einen stangenseitigen Druckraum 17 bildet, den die Kolbenstange 13 axial durchsetzt.
Der Betrag F1 der Kreisfläche
des Kolbens 14, die dem im bodenseitigen Druckraum 16 des
Zylinders 11 herrschenden Druck ausgesetzt ist, und der
Betrag F2 der Kreisringfläche 19 auf
der der Zylinderkolben 14 dem im stangenseitigen Druckraum 17 herrschenden
Druck ausgesetzt ist, stehen im Verhältnis 2/1 zueinander.
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Das
Hydraulikventil 10 hat eine mit dem Stillstand des Zylinderkolbens 14 verknüpfte Sperrstellung
0 (2), in der sämtliche
Weg-Anschlüsse
des Ventils, nämlich
sein P-Versorgungsanschluss 21 und der Tankrücklaufanschluss 22 sowie
der A-Verbraucheranschluss 23 gegeneinander abgesperrt sind,
so dass der hohe Ausgangsdruck des insgesamt mit 24 bezeichneten
Druckversorgungsaggregats dessen Druckausgang 26 an den
P-Versorgungsanschluss 21 des Ventils 10 angeschlossen
ist, sowohl gegen den Verbraucheranschluss 23 des Ventils
als auch gegen dessen Tankanschluss 22 abgesperrt ist,
gleichwohl – bei
dem zur Erläuterung dargestellten
Ausführungsbeispiel – in den
stangenseitigen Druckraum 17 des Linearzylinders 11 angekoppelt
ist.
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Aus
dieser Sperrstellung des Ventils 10 ist dieses in alternative
Durchflussstellungen umschaltbar, nämlich zum einen in die Funktionsstellung (2),
in der der Verbraucheranschluss 23 des Ventils 10,
der an den bodenseitigen Druckraum 16 des Hydrozylinders 11 angeschlossen
ist, mit dem P-Versorgungsanschluss 21 des Ventils 10,
d. h. mit dem Hochdruckausgang 26 des Druckversorgungsaggregats 24 kommunizierend
verbunden ist und gegen den Tankrücklaufanschluss 22 abgesperrt
ist, und zum anderen in die Funktionsstellung II, in welcher der
Verbraucheranschluss 23 des Ventils 10 gegen den
Hochdruckversorgungsanschluss 21 abgesperrt, dafür jedoch
mit dem Tankrücklaufanschluss 22 des
Ventils 10 verbunden und daher der bodenseitige Druckraum 16 des
Hydrozylinders 11 zum Tank 27 des Druckversorgungsaggregats 24 hin
druckentlastet ist.
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In
dieser Funktionsstellung II des Hydraulikventils 10 wird
die Kolbenstange 13 des Hydrozylinders 11 eingefahren,
d. h. der Kolben 14 des Hydrozylinders 11 bewegt
sich gemäß der Darstellung
der 1 auf den Gehäusebo den 27 des
Gehäuses 12 zu,
gemäß der Darstellung
der 1 in Richtung des Pfeils 28 nach links.
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In
der Funktionsstellung I des Hydraulikventils 10 wird die
Kolbenstange 13 des Hydrozylinders 11 ausgefahren,
d. h. in Richtung des Pfeils 29 der 1 "nach rechts" bewegt.
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Das
3/3-Wege-Ventil 10 gelangt durch "axiale" Verschiebung von Ventilkörperelementen 31 und/oder 32 eines
insgesamt mit 33 bezeichneten Ventilkörperverbundes in alternativen
Richtungen, die durch die Richtungspfeile 34, 36 repräsentiert sind,
innerhalb des Ventilgehäuses 37 in
die alternativen Funktionsstellungen I und II und – selbsttätig – in seine
Sperrstellung 0, nach dem eine zur Bewegungssteuerung des Zylinderkolbens 14 erfolgte
Verschiebung der Ventilkörperelemente 31 und 32 in
einer vorgegebenen Sollposition derselben beendet worden ist.
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Zur
Implementierung dieser funktionellen Eigenschaften des 3/3-Wege-Ventils 10 ist
dieses mehr im einzelnen wie folgt aufgebaut:
In einem zentralen
Gehäuseblock 41,
der äußerlich die
Grundform eines Quaders hat, ist eine durchgehende, sich zwischen
ebenen Stirnflächen 42 und 43 erstreckende,
insgesamt mit 44 bezeichnete zentrale Bohrung vorgesehen,
in der das äußere, hülsenförmige Ventilkörperelement 32 mit
Abschnitten seiner äußeren Zylindermantelfläche druckdicht
verschiebbar angeordnet ist.
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Die
zentrale Bohrung 44 hat einen Mittelabschnitt 44/1,
der sich zwischen einer zentralen Ringnut 46 und einer äußeren Ringnut 47 erstreckt,
auf die – nach
außen
hin – ein äußerer Bohrungsabschnitt 44/2 folgt,
der denselben Durchmesser hat wie der Mittelabschnitt 44/1 der
zentralen Bohrung 44.
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Die
Bohrungsabschnitte 44/1 und 44/2 bilden Gleitdichtflächen für das hülsenförmige Ventilkörperelement 32,
an denen dieses mit seiner äußeren Zylindermantelfläche gleitfähig unmittelbar
anliegt, wobei hier die Dichtwirkung durch die Präzision der
Anpassung der Bohrung und des hülsenförmigen Kolbenelements
aneinander erzielt ist, derart, dass Dichtringe oder andere Dichtkörper nicht
vorgesehen werden müssen.
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An
diese äußere Bohrungsstufe 44/2 schließt über eine
radiale Gehäusestufe 48 eine
in axialer Richtung nur wenig ausgedehnte, äußere Endstufe 44/3 der
zentralen Bohrung 44 an. Von dieser äußeren Bohrungsendstufe 44/3 ist
ein Endabschnitt des zylindrischen Mantels 49 eines topfförmigen Gehäuseabschlussteils 51 aufgenommen, dessen
Boden 52 die gehäusefeste
Abstützungsstelle
für eine
unter Vorspannung gehaltene Ventilrückstellfeder 53 bildet,
die sich über
einen ringförmigen Ventilteller 54 an
der ringförmigen äußeren Endstirnfläche 56 des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 axial
abstützt.
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Das
topfförmige
Gehäuseteil 51 ist
innerhalb der erweiterten Bohrungsendstufe 44/3 des Gehäuseblocks 37 mittels
einer Ringdichtung 57 gegen diesen äußeren Bohrungsendabschnitt 44/3 abgedichtet.
Der Durchmesser des topfförmigen
Gehäuseabschlussteils 51 ist
um 10% bis 25% größer als
der Außendurchmesser
des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32,
das mit seinem Endabschnitt, an dem die Ventilfeder 53 angreift,
in das Gehäuseabschlussteil 51 hineinragt.
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Der
zentrale Bohrungsmittelabschnitt 44/1 und der äußere Bohrungsabschnitt 44/2,
gegen die das hülsenförmige Ventilkörperelement 32 gleitfähig abgedichtet
ist, sind durch die Ringnut 47 gegeneinander abgesetzt,
in die ein radialer Anschlusskanal 58 mündet, der den ventilseitigen
P-Versorgungsanschluss 21 bildet, der mit dem Hochdruckausgang 26 der
Pumpe des Druckversorgungsaggregats 24 verbunden ist.
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Auch
in den gehäuseseitig
durch die zentrale Ringnut 46 begrenzten Ringraum mündet ein
radialer Anschlusskanal 61, der den Verbraucheranschluss 23 des
Ventils 10 bildet.
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Die
zentrale Ringnut 46 ist an der dem P-Ringraum 47 abgewandten
Seite durch eine Zwischenwand 62 (3) des Gehäuses 37 gegen
einen weiteren, äußeren Ringraum 63 abgesetzt,
der über
einen Anschlusskanal 64 des Gehäuses 37 mit den drucklosen
T-Verbraucheranschluss 22 des Ventils 10 bzw.
des Druckversorgungsaggregats 24 verbunden ist.
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Dieser
T-Anschlussraum 63 ist gehäuseseitig radial durch eine äußere Bohrungsendstufe 44/4 begrenzt,
die wiederum von einer radialen Schulter 66 der Zwischenwand 62 des
Gehäuses
ausgeht und sich bis zur gegenüberliegenden
Endstirnfläche 43 des
Gehäuses 37 erstreckt.
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Auch
dieser Gehäuseringraum 63 ist
durch ein im wesentlichen zylindrischtopfförmiges Gehäuseabschlussteil 67,
das gleichsam eine axiale Verlängerung
des T-Ringraumes 63 bildet, nach außen flüssigkeitsdicht abgeschlossen,
wobei jedoch durch eine zentrale Öffnung des Bodens 68 dieses
Gehäuseteils 67 eine
stangenförmige
Verlängerung 69 des insgesamt
zylindrisch-stabförmigen
Ventilkörperelements 31 hindurchtritt,
an dem ein Betätigungselement 71 zur
Verschiebung des stangenförmigen
Ventilkörperelements 31 angreift.
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Der
lichte Innendurchmesser dieses äußeren Gehäuseabschlussteils 67 entspricht
demjenigen des anderen topfförmigen
Gehäuseabschlussteils 51,
das an der gegenüberliegenden
Seite des Gehäuseblocks 37 angeordnet
ist. Auch der Durchmesser der äußeren Bohrungsstufe 44/4,
die einen Teil des betätigungsseitigen
Gehäuseabschlussteils
aufnimmt, hat denselben Betrag wie derjenige der gegenüberliegenden
Bohrungsstufe 44/3 des Gehäuseblocks 37.
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Die
in der 1 dargestellte Funktionsstellung des 3/3-Wege-Ventils 10 ist
dessen Sperrstellung 0, in der sowohl der P-Ringraum, der durch
die Ringnut 47 berandet ist, als auch der T-Ringraum 63 des
Ventils 10 gegen dessen Verbraucheranschluss, d. h. den
zentralen Ringraum 59 des Ventils 10 abgesperrt
sind.
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Die
Absperrung des P-Ringraumes gegen den Verbraucheranschluss 23 vermittelt
ein erstes Sitzventil, das durch eine im zentralen Bereich des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 angeordnete,
nach innen ragende innere Ringrippe 72 (3) als
Ventilsitz und einen radial äußeren Bund 73 des inneren
stangenförmigen
Ventilkörperelements 31 gebildet
ist, wobei an den Bund 73 unmittelbar ein zentraler kegelstumpfförmiger Ventilkörperabschnitt 74 anschließt, der
sich zu einem stangenförmigen Zwischenstück 76 hin
verjüngt,
das diesen zentralen Ventilkörperabschnitt 74 mit
einem zylindrisch kolbenförmigen
Führungs-
und Dichtungsabschnitt 77 verbindet, der in einem Bohrungsabschnitt 78 des
betätigungsseitigen
Endabschnitts 79 des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 gleitfähig dichtend
verschiebbar angeordnet ist.
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Das
durch die Rippe 72 des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 als
Sitz und den radialen Bund 73 des inneren, stangenförmigen Ventilkörperelements 31 als
Ventilkörper
gebildete, erste Sitzventil 72, 73, wird in seine
sperrende Stellung, d. h. Anlage dieser Ventilelemente aneinander,
durch eine vorgespannte Ventilfeder 81 gedrängt, die
sich an einer radial äußeren Ringstirnfläche 82 des
betätigungsseitigen
Endabschnitts 79 des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32,
einerseits, und zum anderen an einem verschiebefest am stangenförmigen Ventilkörperelement 31 gehaltenen
Federteller 83 axial abstützt und dadurch das stangenförmige Ventilkörperelement 31 relativ
zu dem hülsenförmigen Ventilkörperelement "nach außen", d. h. in die Sperrstellung
des ersten Sitzventils 72, 73 zieht.
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Die
Ringstirnfläche 82 des
Hülsenendabschnitts 79,
die in einer rechtwinklig zur zentralen Achse 84 des Ventils 10 sich
erstreckenden Ebene verläuft,
bildet die äußere Begrenzungsfläche einer äußeren Ringrippe 86 des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 32,
die das bewegliche Ventilelement des zweiten Sitzventils 86,87 ist,
dessen Ventilsitz durch eine radial nach innen ragende Sitzrippe 87 des
Ventilgehäuses 37 gebildet
ist. Die konvex gewölbte
Sitzrippe 87 schließt
an die äußere Bohrungsstufe 44/4 des
Ventilgehäuses 37 an,
die durch die Zwischenwand 62 gegen die zentrale Ringnut
des Gehäuses – die A-Nut – abgesetzt
ist und dem Durchmesser nach etwas größer ist als der Durchmesser
D der Bohrungsstufen 44/1 und 44/2 des Gehäuses 37,
in denen das hülsenförmige Ventilkörperelement 32 druckdicht
gleitfähig
gelagert ist. Dieser Durchmesser D ist gleich demjenigen der Kreislinie, entlang
derer sich im gesperrten Zustand des zweiten Sitzventils dessen
Sitzrippe 87 und die Ringrippe 86 des beweglichen
Ventilkörperelements 32 berühren.
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Zwischen
der Ringrippe 86 des Hülsenendabschnitts 79 und
dem Mittelabschnitt des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32,
mit dem dieses im Bohrungsmittelabschnitt 44/1 der Gehäusebohrung 44 gleitend
dicht geführt
ist, ist die Hülse 32 mit
einer kegelstumpfförmigen
Verjüngung
versehen, deren Kegelwinkel einen typischen – relativ kleinen – Wert um
15° hat
und dahingehend gewählt
ist, dass bei einem Abheben des Ventilkörpers von der Ventilsitzrippe
in guter Näherung
ein zum Verschiebeweg des Ventilkörpers proportionaler Hydrauliköldurchfluss erzielt
wird.
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Zwischen
dem außen
konischen Endabschnitt 79 des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 und
dessen Mittelabschnitt, mit dem es in dem mittleren Bohrungsabschnitt 44/1 des
Ventilgehäuses 37 druckdicht
verschiebbar gelagert ist, nimmt der Außendurchmesser des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 einen
Minimalwert an, der kleiner ist als der Durchmesserwert D in den
Bohrungsabschnitten 44/1 und 44/2 des Gehäuses 37.
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Bei
beiden Sitzventilen des Ventils 10 ist die Gestaltung der
Ventilkörper
und der Sitzrippen so gewählt,
dass die Bereiche, innerhalb derer der jeweilige Ventilkörper entlang
einer kreisförmigen
Berührungslinie
am jeweiligen Sitz anliegt, glatt gekrümmt sind und eine Kerbwirkung
zwischen den aneinander anliegenden Elementen vermieden wird.
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Bei
dem insoweit geschilderten Aufbau des Ventilkörperverbundes 33 des
Ventils 10 ist der Durchmesser d1 des zylindrischen Führungs-
und Dichtungsabschnittes 77 des stangenförmigen Ventilkörperelements 31,
abgesehen von einem für
die Montage gegebenenfalls notwendigen, dem Betrage nach jedoch
vernachlässigbaren
Mindestmaß,
gleich dem lichten Durchmesser d2 der zentralen Ringrippe 72 des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 31.
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Der
Außendurchmesser
d3 des zentralen Ringflansches 73 des stangenförmigen Ventilkörperelements 31 ist
signifikant größer als
der Durchmesserwerte d1 bzw. d2, z. B. um 20 % größer. Der Durchmesser
d4 des der Ringrippe 73 benachbarten, dem kegelstumpfförmigen Ventilkörperabschnitt 74 abgewandt
angeordneten, äußeren zylindrischen Führungs-
und Dichtungsabschnittes 88 entspricht dem Betrage nach
dem Durchmesserwert d1 des bezüglich
der Ringrippe 73 gegenüberliegend
angeordneten Dichtungs- und Führungsabschnittes 77 des stangenförmigen Ventilkörperelements 31.
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Die
Abdichtung dieses äußeren zylindrischen
Führungs-
und Dichtungsabschnittes 88 gegenüber dem ihn koaxial umschließenden äußeren Abschnitt 32/a des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 vermittelt
eine in dieses eingesetzte rohrförmige
Hülse 89,
deren Innendurchmesser dem Durchmesser d4 des von ihr umschlossenen
Dichtungs- und Führungsabschnittes 88 des
stangenförmigen
Ventilkörperelements
entspricht und deren Außendurchmesser
d5, entsprechend dem Innendurchmesser des sie enthaltenden Hülsenabschnitts 32/a etwas
größer ist
als der Durchmesser d3 der zentralen Ringrippe 73, die
den Ventilkörper
des ersten Sitzventils 72, 73 bildet.
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Die
innere Ringstirnfläche 91 dieser
rohrförmigen
Hülse 89 bildet
innerhalb des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 die
eine gehäusefeste
axiale Begrenzung eines inneren Ringraumes 92, der über Querbohrungen 93 mit
den P-Anschlussringraum 47 des Ventils 10 in ständig kommunizierender
Verbindung gehalten ist. Im sperrenden Zustand des zentralen Sitzventils 72, 73 ist
dieser innere Ringraum 92 gegen einen "benachbarten" inneren Ringraum 94 abgesperrt,
der innerhalb des Ventilkörperverbundes 33 axial "gehäusefest" durch die Ringrippe 72 und
axial beweglich durch den betätigungsseitigen
Dichtungs- und Führungsabschnitt 77 des
stangenförmigen
Ventilkörperelements 31 begrenzt
ist. Dieser zweite innere Ringraum 94 des Ventilkörperverbundes 33 steht über Querbohrungen 96 mit
dem durch die zentrale Ringnut 46 begrenzter Ringraum, der
mit dem Verbraucheranschluss 22 des Ventils 10 kommunizierend
verbunden ist, in ständig
kommunizierender Verbindung.
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Durch
eine axiale Verschiebung des stangenförmigen Ventilkörperelements 31 in
Richtung des Pfeils 34 der 1, die gegen
die zunehmende Rückstellkraft
der Ventilfeder 81 erfolgt, wobei das Sitzventil 86, 87 gesperrt
bleibt, gelangt das zentrale Sitzventil 72, 73 in
seine Offenstellung (3), in der der hohe Ausgangsdruck
des Druckversorgungsaggregats 24 am Verbraucheranschluss 23 ansteht.
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Durch
axiale Verschiebung des Ventilkörperverbundes 33 in
Richtung des Pfeils 36 der 1 gelangt
das zweite Sitzventil 86, 87, während das
zentrale Sitzventil 72, 73 gesperrt bleibt, in
seine Offenstellung, in welcher der Verbraucheranschluss 22 des
Ventils 10 zum Tank 77 des Druckversorgungsaggregats 24 hin
druckentlastet ist.
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Zur
Betätigung
des Ventils 10 ist ein lediglich schematisch angedeuteter,
insgesamt mit 97 bezeichneter, elektrisch steuerbarer Spindeltrieb
vorgesehen, der eine auf einen fest mit der Kolbenstange 13 des
Antriebszylinders 11 verbundenen Träger 98 montierte Mutterantriebseinheit 99 hat,
mittels derer der Betätigungsstößel 71,
der koaxial mit der zentralen Achse 84 des stangenförmigen Ventilkörperelements 31 an
diesem angreift, in Richtung der Pfeile 34 und 36 in
alternativen Richtungen gesteuert verschiebbar ist. Dadurch, dass
der Spindeltrieb 97 die Bewegungen der Kolbenstange 13 des
Antriebszylinders 11 mit ausführt, arbeitet das Ventil in
der Art eines Nachlaufregelventils mit elektrisch steuerbarer Positions-Sollwertvorgabe
für den
Kolben 14 des Antriebszylinders 11 und, bedingt
durch die Mitführung des
Spindeltriebes 97, mechanischer Positions-Istwert-Rückmeldung.
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Das
Gehäuse 99 des
Spindeltriebes 97 ist am Ende des Trägers 98 montiert.
In dem Gehäuse 99 ist
um die zentrale Achse 101 des Spindeltriebes, die mit der
zentralen Längsachse 84 des
Ventils 10 zusammenfällt,
drehbar die Spindelmutter 102 des Spindeltriebes 97 angeordnet,
die gegen axiale Verschiebungen relativ zu dem Gehäuse 99 gesichert ist.
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Mit
dem Gewinde der Spindelmutter 102 steht eine Gewindespindel 103 in
kämmendem
Eingriff, die ihrerseits, angedeutet durch die schematisch dargestellte
Axialführung 104,
axial hin – und
her – verschiebbar,
jedoch bezüglich
der zentralen Achse 101 unverdrehbar gelagert ist.
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Zur
Antriebssteuerung des Spindeltriebes ist ein Elektromotor 106 mit
umkehrbarer Drehrichtung vorgesehen, mittels dessen über ein
Zahnritzel, das mit einer Außenzahnung
der Spindelmutter 102 in kämmendem Eingriff steht, die
Spindelmutter in alternativen Drehrichtungen antreibbar ist, denen
alternative axiale Verschiebebewegungen der Spindel 103 und
ihres Betätigungsendabschnitts 71 entsprechen, über den
die Spindel an der axialen Verlängerung 69 des
stabförmigen
Ventilkörperelements 31 angreift.
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Die
durch Ansteuerung des Elektromotors 106 erfolgende Positions-Sollwertvorgabe kann
auf vielfältige,
dem Fachmann für
elektrohydraulische Steuerungen geläufige Weise realisiert werden,
z. B. durch gepulste Ansteu erung eines als Schrittmotor ausgebildeten
Spindelmutterantriebsmotors oder durch einen Vergleich von Wegmessungen
mit elektrisch vorgebbaren Sollwerten. Die diesbezüglichen Möglichkeiten
werden als dem Fachmann geläufig und
nicht als im einzelnen erläuterungsbedürftig angesehen.
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Zur
Erläuterung
eines typischen Funktionsspiels des Ventils 10 sei von
der in der 1 dargestellten Konfiguration
ausgegangen, in der das Ventil 10 seine sperrende Funktionsstellung
einnimmt und der Kolben 14 des Linearzylinders 11 steht,
die Pumpe 59 des Druckversorgungsaggregats 24 jedoch
in Betrieb ist und daher der hohe Ausgangsdruck des Druckversorgungsaggregats 24 am
Ausgang 26 ansteht. Diese Konfiguration entspricht z.B.
dem Fall, dass der Kolben 14 des Antriebszylinders 1,
nachdem der Sollwertvorgabebetrieb des Spindeltriebs 37 stillgesetzt
worden ist, eine eingesteuerte Soll-Position erreicht hat. Tritt
in diesem Funktionszustand eine Störung auf, die zu einer Verschiebung
des Zylinderkolbens 14 in Richtung des Pfeils 28,
gemäß 1 "nach links", führt, so
wird auch das stangenförmige Ventilkörperelement 31,
bedingt durch die starre Kopplung der Kolbenstange 13 des
Antriebszylinders 11 mit dem Betätigungsstößel 71 der Sollwertvorgabeeinrichtung,
die durch den Spindeltrieb 97 und die Gewindespindel 102 gebildet
ist, "nach links" in Richtung des
Pfeil 34 verschoben. Die Folge hiervon ist, dass die Ventilkörperrippe 73 von
dem ringförmigen Ventilsitz 72 des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 abhebt
und eine kommunizierende Verbindung zwischen dem P-Ringkanal 47 und
dem Verbraucheranschluss 22 des Ventils eintritt (3).
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Hierdurch
ergibt sich eine Druckerhöhung
im bodenseitigen Druckraum 16 des Antriebszylinders 11 die
dazu führt,
dass der Kolben 14 des Hydrozylinders 11 eine
Verschiebung in Richtung des Pfeils 29 "nach rechts" erfährt,
die sich über
den Querträger 98 auch
auf die Gewindespindel 102 überträgt, die hierdurch ebenfalls
nach rechts ausweicht. Die Folge hiervon ist, dass das stangenförmige Ventilkörperelement 31 durch
die Federkraft der Ventilrückstellfeder 53 mit
dem Betätigungselement 71 der
Spindel 103 in Anlage gehalten bleibt und damit auch die
Ringrippe 73 wieder gegen den rippenförmigen Ventilsitz 72 des
ersten Sitzventils – dichtend – gedrängt wird
und dieses Ventil wieder schließt.
Wird die Störung
wieder aufgehoben, so dass unter der Wirkung des "geringfügig" erhöhten Druckes
im bodenseitigen Druckraum 16 des Hydrozylinders 11 der
Kolben 14 über die
zuvor eingenommene Position hinaus "etwas nach rechts" in Richtung des Pfeils 29 verschoben wird,
so hebt die Ringrippe 86 des außen konischen Endabschnittes 79 des
hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 von
der Sitzrippe 87 des Gehäuses 37 des Ventils 10 ab,
wodurch nunmehr der Ringraum 59 des Ventils, der mit dem
A-Verbraucheranschluss 22 kommunizierend verbunden ist,
mit dem T-Ringraum in kommunizierende Verbindung gelangt und dadurch
der Druck im bodenseitigen Antriebsdruckraum 16 des Hydrozylinders 11 wieder
abgesenkt wird; die Folge hiervon ist dann, dass der Kolben 14 wieder
in seine vor Beginn dieser Störung
eingenommene Sollposition gelangt.
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Die
Sperrstellung 0 des Ventils 10 ist somit eine Regelstellung,
die, wenn die Positions-Sollvorgabe nicht geändert wird, aufrecht erhalten
wird, solange das Druckversorgungsaggregat in Betrieb ist. Dafür, dass
das Funktionsspiel in der geschilderten Weise abläuft, ist
notwendig, dass die Ventilfeder 81, über die das hülsenförmige Ventilkörperelement 32 an
dem stangenförmigen
Ventilkörperelement 31 axial
abgestützt
ist, dem Betrage nach eine größere Vorspannkraft
entfaltet, als die Kraft, welche die Rückstellfeder 53 als
Rückstellkraft
entfaltet. Die Einhaltung dieser Bedingung ist mit gängigen Maßnahmen der
Dimensionierung und Auslegung der Ventilfedern 53 und 81 dem
Fachmann ohne weiteres möglich.
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Soll
der Hydrozylinder 11 im Sinne eines Ausfahren der Kolbenstange "nach rechts" in Richtung des
Pfeils 29 angesteuert werden, so wird der Spindeltrieb 97 in
demjenigen Drehsinn angesteuert, dass sich dessen Gewindespindel 103 relativ
zur Spindelmutter 102 nach rechts bewegt. Die neu eingestellte,
der Einstellung des Sollwertes entsprechende Position erfolgt dann in
vollkommener Funktionsanalogie zum Ausgleich der erläuterten
Störung, die
den Kolben 14 relativ zum Gehäuse 12 nach links zu
verschieben tendiert.
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Soll
andererseits die Kolbenstange 13 des Linearzylinders 11 eingefahren
werden, d. h. der Kolben 14 in eine Position geringeren
Abstandes vom Boden 27 des Zylindergehäuses 12 gebracht worden,
so wird der Spindeltrieb 97 so angesteuert, dass sich der
Ventilkörperverbund 33 insgesamt
in Richtung des Pfeils 37 nach rechts bewegt, mit der Folge, dass
der bodenseitige Druckraum 16 des Hydrozylinders 11 über den
zwischen der gehäuseseitigen
Sitzrippe 87 und der Ringrippe 86 des hülsenförmigen Ventilkörperelements 32 sich öffnenden
Ventilspalt zum Tank hin druckentlastet wird und somit der Druck im
stangenseitigen Druckraum 17 des Hydrozylinders 11 den
Zylinderkolben 14 wieder gegen den Restdruck im bodenseitigen
Druckraum 16 "nach links" verschieben kann.
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Die
Einstellung der Gleichgewichtsposition erfolgt in Analogie zu den
vorausgehend geschilderten Ausgleichsvorgängen, sobald der Sollwertvorgabebetrieb
des Spindelmotors 106 abgeschaltet wird.
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In
zweckmäßiger Auslegung
der Rückstellfeder 53 und
der Ventilfeder 81 des Ventils stehen deren Vorspannungen,
die sie in der Sperrstellung des Ventils entfalten im Verhältnis ½ zueinander,
wobei es jedoch auch ausreichend sein kann, wenn die Vorspannung
der Rückstellfeder 53 noch
kleiner ist, sofern sie nur ausreicht, den Ventilkörperverbund 33 gegen
die vorhandene Reibung zu verschieben.
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Unter
dem Gesichtspunkt einer hermetisch dichtenden Anlage eines Ventilkörperelements
am jeweiligen Ventilsitzelement kann eine vorteilhafte Gestaltung
dieser Ventilelemente auch darin bestehen, dass der Anlagebereich
eines Ventilkörperelements,
mit dem dieses an einer konkaven oder ebenen Ventilsitzfläche anliegt,
wulstförmig
gestaltet ist, d. h. z. B. von einer ebenen Fläche vorspringend oder als Wölbung, deren
gekrümmter
Umfangsbereich mehr als 180° umfasst.