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Die
Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines hydraulischen
Verbrauchers mit einem hydraulisch betätigbaren Wegeventil gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine hydraulische
Vorsteuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 12.
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Hydraulische
Steuervorrichtungen mit hydraulisch betätigbaren Wegeventilen kommen
unter Anderem in Fahrzeughydraulikanlagen zum Einsatz. Zweckmäßigerweise
sind in einem sogenannten Steuerblock mehrere Wegeventile in Form
von Ventilscheiben verkettet. Mit einer solchen hydraulischen Steuervorrichtung
werden Hubeinrichtungen eines Hubwagens oder eines Ackerschleppers,
Ladekräne, die
Schaufel eines Radladers, aber auch Fahr- und Lenkfunktionen eines Fahrzeugs
hydraulisch bedient. Im Falle einer bedarfstrom-geregelten (Load-Sensing)
Steuerung besitzen einzelne Ventilscheiben eine Druckwaage zur Steuerung
des über das
Ventil fließenden
hydraulischen Druckmittelstroms.
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Als
Hydraulikdruckflüssigkeit
bzw. Druckmittel kommt in der Industrie- und Mobilhydraulik meistens
Mineralöl
zum Einsatz. Für
bestimmte Einsatzbereiche wird jedoch auch ein wasserbasiertes Druckmittel
verwendet. Im Folgenden wird für
Hydraulikflüssigkeiten
der Begriff Fluid verwendet.
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Eine
hydraulische Steuervorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 197 15 020 A1 bekannt.
In verschiedenen Ventilscheiben sind Wegeventile zur Ansteuerung
hydraulischer Verbraucher angeordnet. Die Wegeventile besitzen Ventilkolben
zur Steuerung von Druckmittelverbindungen und jeweils zwei Federräume. In
einem Federraum wird ein Steuerdruck aufgebaut, um den Ventilkolben
entgegen der Federvorspannung zu betätigen. Der jeweilige Steuerdruck wird
durch ein elektrisch betätigtes
Druckregelventil erzeugt. Für eine
Ventilscheibe sind jeweils zwei Druckregelventile als Vorsteuerventile
vorgesehen. So lässt
sich der Ventilkolben in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen
auslenken. Die elektrische Ansteuerung der Druckregelventile erfolgt
in der Regel mittels eines Bedienelements.
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In
seltenen Fällen
versagen elektrisch angesteuerte Druckregelventile dadurch, dass
der Regelkolben des Druckregelventils klemmt und nicht mehr elektrisch
betätigt
werden kann. Eine Ursache dafür können im
Fluidstrom mitgeführte
Schmutzpartikel sein. Befindet sich der Regelkolben gerade in der
Regelposition, bei der der Ausgang des Druckregelventils gegen den
Steuerfluidversorgungsanschluss und den Tankanschluss abgesperrt
ist, so lässt
sich aus dem entsprechenden Federraum des Wegeventils kein Steuerfluid
mehr verdrängen.
Das Wegeventil ist somit in der angesteuerten Stellung blockiert
und die vom hydraulischen Verbraucher ausgeführte Bewegung kann nicht gestoppt
werden. Auch durch Gegensteuern (Kontern) am Bedienelement, wodurch der
gegenüberliegende
Federraum über
das entsprechende Druckregelventil mit Steuerdruck beaufschlagt
wird, lässt
sich eine solche Blockade nicht lösen, da aus dem abgesperrten
Federraum, wie gesagt, kein Fluid verdrängbar ist.
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Die
DE 103 08 910 A1 befasst
sich mit einem Sicherheitsventil, welches in die Versorgungsleitung von
Vorsteuerventilen integriert ist. Das beschriebene, elektromagnetisch
betätigte
3/2-Wegeventil vermag die Versorgungsleitung der Vorsteuerventile
entweder mit einer Druckmittelquelle oder mit einem Behälter verbinden.
Im Ventilschieber des 3/2-Wegeventils ist ein Entlastungskanal vom
Ausgangsanschluss zum Federraum vorgesehen. Bei betätigtem Magneten,
ist der Entlastungskanal durch den Magnetstößel abgesperrt. Bei unbetätigten Magneten
ist der Entlastungskanal zum Federraum und somit zum Behälter hin
geöffnet,
sofern der Ventilschieber dem Magnetstößel nicht folgt. Nachteilig
an diesem Ventil ist die aufwendige Bauweise. Die Bauweise lässt sich auch
nicht ohne weiteres auf als Druckminderventile ausgebildete Vorsteuerventile übertragen.
Außerdem lässt sich
die Versorgungsleitung nicht entlasten, falls durch einen Fehler
in der Ansteuerelektronik des 3/2-Wegeventils eine Dauerbetätigung erfolgt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Steuervorrichtung
zur Steuerung eines hydraulischen Verbrauchers anzugeben, die es
zuverlässig
erlaubt, den Ventilkolben eines vorgesteuerten Wegeventils aus einer
Betätigungsstellung
in eine Neutralstellung zurückzuführen und die
sich insbesondere durch einen einfachen, kostengünstigen Aufbau auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch
eine hydraulische Vorsteuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
12 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung zur
Steuerung eines hydraulischen Verbrauchers ist mit einem Wegeventil
ausgestattet, das eine Steuerdruckkammer und einen Steuerschieber,
der durch Aufbau eines Steuerdrucks in der Steuerdruckkammer gegen
die Kraft einer Feder verstellbar ist, aufweist. Ein Vorsteuerventil
steuert den Zufluss und Abfluss von Steuerfluid in die und aus der
Steuerdruckkammer. Es ist die Besonderheit der vorliegenden Erfindung,
dass eine Entlastungseinrichtung vorhanden ist, durch die das Steuerfluid
unter Umgehung des Vorsteuerventils aus der Steuerdruckkammer verdrängbar ist.
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Auf
diese Weise erlaubt die erfindungsgemäße Steuervorrichtung in zuverlässiger Weise
die Rückkehr
des Steuerschieber aus der betätigten Stellung.
Im Normalbetrieb ist das Wegeventil wie ein herkömmliches Wegeventil steuerbar.
Bei einer Störung
des Vorsteuerventils, bei der der Abfluss von Steuerfluid aus der
Steuerdruckkammer über
das Vorsteuerventil blockiert ist, lässt sich der Steuerschieber
trotzdem aus der betätigten
Stellung verschieben. Somit weist eine solche Steuervorrichtung eine
hohe Betriebssicherheit auf. Nicht nur bei einem Verklemmen des
Steuerkolbens des Vorsteuerventils sondern sogar bei einer Dauerbetätigung des
Vorsteuerventils durch einen Fehler in seiner elektrischen Ansteuerschaltung
kann der Steuerschieber des Wegeventils in die Neutralstellung zurückgeführt oder
sogar in eine Gegenrichtung betätigt
werden. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
ist zudem einfach und kostengünstig
realisierbar. Die Umgehung des Vorsteuerventils ist insbesondere
mit Hilfe von günstigen
Standardkomponenten, wie Rückschlag-
oder Druckbegrenzungsventilen, darstellbar.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine hydraulische
Vorsteuervorrichtung einen Steuerfluidversorgungsanschluss und wenigstens
ein Druckregelventil, das an einem Steuerdruckausgang einen geregelten
Steuerdruck erzeugt, auf. Zwischen dem Steuerdruckausgang und dem
Steuerfluidversorgungsanschluss ist ein zum Steuerfluidversorgungsanschluss
hin öffnendes Rückschlagventil
vorgesehen.
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Eine
solche Vorsteuervorrichtung erlaubt die zuverlässige Verdrängung von Steuerfluid aus einer Steuerdruckkammer
unter Umgehung des Druckregelventils. Dadurch lässt sich die Betriebssicherheit einer
hydraulischen Steuervorrichtung erhöhen. Zudem ist eine solche
Vorsteuervorrichtung besonders einfach aufgebaut und erfordert im
Vergleich zu einer herkömmlichen
Vorsteuervorrichtung nur wenige zusätzliche Komponenten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung umfasst
die Entlastungsvorrichtung eine Entlastungsleitung und ein Rückschlagventil, über das
Steuerfluid aus der Steuerdruckkammer in die Entlastungsleitung
verdrängbar
ist. Dadurch ist eine besonders unkompliziert aufgebaute Entlastungsvorrichtung
angegeben. Das Verhalten der Entlastungsvorrichtung lässt sich
mit Hilfe eines in der Entlastungsleitung herrschenden Drucks auf
einfache Weise steuern.
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Vorzugsweise
ist die Entlastungsleitung über ein
Druckbegrenzungsventil mit einem Tank verbindbar. Somit lässt sich
ein zur Umgehung des Vorsteuerventils nötiger Druck einfach am Druckbegrenzungsventil
einstellen. Dieser Druck ist des Weiteren unabhängig vom Druck der Steuerfluidversorgungsleitung
einstellbar. Wenn das Druckbegrenzungsventil manuell betätigbar ist,
lässt sich
auf einfache Weise eine Entlüftung
der Steuerdruckräume
vornehmen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung steht die Entlastungsleitung
mit einer Steuerfluidversorgungsleitung des Vorsteuerventils in
fluidischer Verbindung. Eine derart gestaltete Steuervorrichtung
erlaubt eine besonders einfache und effiziente Absicherung einer
Steuerdruckkammer gegen ein Blockieren des Fluidabflusses. Zudem
entspricht der zur Umgehung des Vorsteuerventils nötige Druck immer
dem Versorgungsdruck der Steuerfluidversorgungsleitung, so dass
dieser nicht separat eingestellt werden muss.
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Vorzugsweise
ist der Druck in der Entlastungsleitung auf einen Wert begrenzbar,
der gleich hoch oder höher
ist als der maximale Steuerdruck, d.h. der Druck, den das Vorsteuerventil
an seinem Ausgang höchstens
einstellen kann. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer normalen
Ansteuerung des Wegeventils keine Verdrängung von Steuerfluid in die
Entlastungsleitung erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausbildung ist der Druck in der Entlastungsleitung
auf einen Wert begrenzbar, der geringer ist als die Summe aus dem
maximalen Steuerdruck und einem Druck, der einer Vorspannkraft der
Feder entspricht. Auf diese Weise lässt sich die zur Rückstellung
des Steuerschiebers aus der betätigten
Stellung nötige
Kraft durch hydraulische Beaufschlagung des Steuerschiebers aufbringen,
z.B. durch Druckbeaufschlagung einer entgegengesetzt angeordneten
Steuerdruckkammer. Wenn in beiden Steuerdruckkammern der gleiche
Druck herrscht, kehrt der Steuerschieber mit Hilfe der seiner Auslenkung
entgegenwirkenden Federn in eine Neutralstellung zurück.
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Wenn
die Entlastungsleitung durch ein Schaltventil zu einem Tank entlastbar
ist, kehrt der Steuerschieber ohne weitere Maßnahmen und sehr zügig in eine
Neutralstellung zurück.
Er lässt
sich durch Druckbeaufschlagung einer entgegengesetzt angeordneten
Steuerdruckkammer sogar in eine Gegenrichtung auslenken.
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Vorzugsweise
weist das Wegeventil zwei Steuerdruckkammern auf, durch die der
Steuerschieber in zueinander entgegengesetzte Richtungen beaufschlagbar
ist. Weiter ist aus den beiden Steuerdruckkammern Steuerfluid über jeweils
ein separates Rückschlagventil
in zwei unterschiedliche Zweige der Entlastungsleitung verdrängbar, die
beiden unterschiedlichen Zweige der Entlastungsleitung sind fluidisch
voneinander getrennt, und es sind zwei Schaltventile vorhanden, über die
die Zweige der Entlastungsleitung unabhängig voneinander zu einem Tank entlastbar
sind. Dadurch können
die unterschiedlichen Zweige der Entlastungsleitung und somit die angeschlossenen
Steuerdruckkammern im Fall eines Defekts des Vorsteuerventils unabhängig voneinander
entlastet werden. Dies ist eine wichtige Vorraussetzung für die Realisierung
eines sicheren Antriebs, der es erlaubt, einen Hydromotor bei Defekt
des Vorsteuerventils nicht nur anzuhalten sondern auch eine Rückzugbewegung
auszuführen.
Insbesondere kann ein defektes Vorsteuerventil umgangen werden bzw. die
eine Steuerdruckkammer entlastet werden, und durch ein weiteres
Vorsteuerventil die entgegengesetzt angeordnete Steuerdruckkammer
mit Druck beaufschlagt werden, so dass ein vom Wegeventil angesteuerter
Hydromotor eine Rückzugbewegung ausführt.
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Vorzugsweise
ist Steuerfluid aus zwei unterschiedlichen Zweigen der Entlastungsleitung
einem Druckbegrenzungsventil über
jeweils ein Rückschlagventil,
das zum Druckbegrenzungsventil hin öffnet, zuführbar. Somit lassen sich durch
eine einfache, effiziente Konstruktion der Steuervorrichtung entgegengesetzt
angeordnete Steuerdruckkammern des Wegeventils gegen ein Blockieren
der Vorsteuerventile absichern. Durch Druckbeaufschlagung einer gegenüberliegenden
Steuerdruckkammer kann zudem Steuerfluid aus einer Steuerdruckkammer,
deren Vorsteuerventil versagt, verdrängt werden. Somit ist es möglich, einen
hydraulischen Verbraucher bei einem Versagen eines Vorsteuerventils
durch Gegensteuern am Bedienelement anzuhalten. Außerdem können die
Zweige der Entlastungsleitung zusätzlich separat voneinander
durch z.B. ein Schaltventil entlastet werden, so dass eine Rückzugsbewegung
eines Hydromotors trotz eines Defekts des Vorsteuerventils ausführbar ist.
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Vorzugsweise
sind mehrere Wegeventile vorgesehen, wobei aus jeder Steuerdruckkammer der
verschiedenen Wegeventile Steuerfluid über ein jeweils separates Rückschlagventil
in eine Entlastungsleitung bzw. einen Zweig der Entlastungsleitung verdrängbar ist.
So lassen sich auch für
mehrere Wegeventile die Steuerdruckkammern effizient gegen ein Versagen
der Vorsteuerventile absichern.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Wegeventilscheibe eines Hydrauliksteuerblocks – teilweise
als Schnittbild – mit
einer zusätzlichen
Fluidleitung, über die
Steuerfluid aus den Steuerdruckkammern verdrängbar ist,
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2 ein
Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung mit zwei Wegeventilen,
die auf die in 1 dargestellten Weise gegen
ein Blockieren des Fluidabflusses aus den Steuerdruckkammern abgesichert
sind und die zusätzlich
eine manuell betätigbare
Entlüftungsfunktion
aufweisen,
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3 ein
Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung mit zwei Wegeventilen,
und zwei Zweigen einer Entlastungsleitung, die unabhängig voneinander
durch Schaltventile entlastbar sind, und die außerdem über ein Druckbegrenzungsventil Steuerfluid
zum Tank abführen
können,
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4 ein
Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung, bei der Steuerfluid
aus den Steuerdruckkammern in die Steuerfluidversorgungsleitung
verdrängbar
ist, und
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5 eine
Seitenansicht einer Wegeventilscheibe eines Hydrauliksteuerblocks – teilweise
als Schnittbild – in
einer dem Schaltbild der 4 entsprechenden Ausführung.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf 1 anhand
einer Wegeventilscheibe, wie sie in einem hydraulischen Steuerblock
zum Einsatz kommt, beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
diese spezielle Bauart einer hydraulischen Steuervorrichtung beschränkt sondern
kann in hydraulischen Steuervorrichtungen nahezu beliebiger Bauart zum
Einsatz kommen.
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Die
in 1 dargestellte Ventilscheibe 1 besitzt
einen Grundkörper 3 mit
einer Ventilbohrung 25 innerhalb welcher ein Steuerschieber 26 beweglich geführt ist.
Durch die Ventilbohrung 25 und den Steuerschieber 26 sind
verschiedene Steuerkanten gebildet, über die sich fluidische Verbindungen
zwischen einem Fluidversorgungsanschluss 10 und den Anschlüssen 22, 23 für einen
hydraulischen Verbraucher steuern lassen. Ebenso sind Verbindungen
zwischen den Verbraucheranschlüssen 22, 23 und
Tankanschlüssen 12, 13 steuerbar.
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Die
dargestellte Ventilscheibe ist in Load-Sensing Technik ausgeführt. Somit
wird der an den Verbraucheranschlüssen 22 bzw. 23 anstehende Lastdruck
erfasst und einer Lastdruckmeldeleitung 16 zugeführt. Die
Details der Load-Sensing
Technik sind für
die vorliegende Erfindung nicht relevant und werden daher nicht
näher beschrieben.
Dem Fachmann ist die Load-Sensing Technik jedoch bekannt.
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Die
Ventilbohrung 25 ist rechtsseitig und linksseitig des Grundkörpers 3 durch
Steuerdeckel 30, 31 abgedeckt. In den Steuerdeckeln 30, 31 sind Federräume 32 und 33 gebildet,
in denen sich jeweils eine vorgespannte Feder 34 und 35 befindet.
Die Federn 34, 35 stützen sich über Federteller 28, 29 an dem
Grundkörper 3 ab.
Durch die Wirkung der vorgespannten Federn 34, 35 und
der Federteller 28, 29 ist der Steuerschieber 26 in
einer Mittelstellung zentriert.
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Die
Federräume 32, 33 bilden
außerdem Steuerdruckkammern,
die sich mit einem Steuerdruck beaufschlagen lassen. Durch den in
einem Federraum – z.B. 32 – wirkenden
Steuerdruck erfährt der
Steuerschieber 26 eine Kraft in Richtung des anderen Federraums – z.B. 33 – entgegen
der Vorspannung der darin angeordneten Feder 35. Überwindet die
durch den Steuerdruck auf den Steuerschieber 26 ausgeübte Kraft
die Vorspannung der Feder 35, so verschiebt sich der Steuerschieber 26 aus
seiner zentrierten Stellung.
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In
den linksseitig an der Ventilscheibe 1 angebrachten Steuerdeckel 30 sind
zudem Druckregelventile 38 und 40 eingesetzt.
Die Druckregelventile 38, 40 sind beide über den
Fluidkanal 42 mit einer Steuerfluidversorgungsleitung 18 verbunden.
Ein weiterer Fluidkanal 43 verbindet die Druckregelventile 38, 40 mit
einer Steuerfluidrückführleitung 20.
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Das
Druckregelventil 38 lässt
sich über
einen (nicht dargestellten) Elektromagneten betätigen und erzeugt an seinem
Ausgang einen zu der Magnetkraft proportionalen Steuerdruck. Der
durch das Druckregelventil 38 erzeugte Steuerdruck pflanzt sich über einen
Fluidkanal 39 in den Federraum 33 fort. Dieser
Steuerdruck bewirkt am Steuerschieber 26 eine nach links
gerichtete Kraft. Das ebenfalls mit einem Elektromagneten ausgestattete
Druckregelventil 40 steht mit dem Federraum 32 über den
Fluidkanal 41 in Verbindung. Der durch das Druckregelventil 40 erzeugte
Steuerdruck steht somit im Federraum 32 an und bewirkt
am Steuerschieber eine nach rechts gerichtete Kraft.
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Des
Weiteren ist der Federraum 32 mit einem Rückschlagventil 46 verbunden,
das zu einer Fluidleitung 48 hin öffnet. An den Federraum 33 ist ebenfalls
ein Rückschlagventil 47 angeschlossen, das
zu der Fluidleitung 48 hin öffnet. Die Fluidleitung 48 führt über ein
Druckbegrenzungsventil 50 zu einem Fluidtank. In der dargestellten
Wegeventilscheibe ist dies zweckmäßigerweise durch Anschluss
an die Steuerfluidrückführleitung 20 bewerkstelligt.
Der Ausgang des Druckbegrenzungsventils 50 kann aber ebenso
mit einem Leckölanschluss
oder einer anderen Fluidrückführleitung
verbunden werden. Das Druckbegrenzungsventil 50 ist auf
einen Druck, der mindestens dem höchsten von den Druckregelventilen 38, 40 erzeugbaren
Steuerdruck entspricht, eingestellt.
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Die
Druckregelventile 38, 40 besitzen jeweils einen
Regelkolben, der Steuerfluid aus der Steuerfluidversorgungsleitung 18 in
den jeweiligen Federraum 32 bzw. 33 zufließen lässt, bis
der durch die Magnetkraft vorgegebene Druck erreicht ist. Ist der
Druck in dem Federraum höher
als dieser Vorgabedruck, so lässt
der Regelkolben Steuerfluid über
das jeweilige Druckregelventil 38, 40 in die Steuerfluidrückführleitung 20 abfließen.
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Der
Regelkolben besitzt eine positive Überdeckung hinsichtlich des
Ventilgehäuses
des Druckregelventils 38 bzw. 40. Das bedeutet,
dass nach Erreichen des Vorgabedrucks in dem Federraum der Federraum
sowohl gegenüber
der Steuerfluidversorgungsleitung 18 als auch gegenüber der
Steuerfluidrückführleitung 20 abgesperrt
ist. Blockiert der Regelkolben in einer solchen Regelstellung, so
kann über das
Druckregelventil kein Steuerfluid mehr aus dem entsprechenden Federraum
verdrängt
werden.
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Als
Beispiel wird der Fall betrachtet, das der Steuerschieber 26 aufgrund
dem in dem Federraum 32 herrschenden Druck aus der zentrierten
Stellung nach rechts ausgelenkt ist. Blockiert nun das Druckregelventil 40,
so dass kein Steuerfluid mehr aus dem Federraum 32 darüber abfließen kann,
behält
der Steuerschieber 26 zunächst die ausgelenkten Stellung
bei. Sobald durch eine nach links gerichtete Betätigung des Steuerschiebers 26 der
Druck in dem Fe derraum 32 erhöht wird, auf einen Druck der
mindestens dem am Druckbegrenzungsventil 50 eingestellten
Druck entspricht, fließt
Steuerfluid unter Umgehung des Druckregelventils 40 über das
Rückschlagventil 46 in
die Fluidleitung 48 und über das Druckbegrenzungsventil 50 zum
Tank. Somit ist es möglich
den Steuerschieber 26 trotz des blockierten Druckregelventils 40 in
eine zentrierte Stellung zurückzuführen. Da
der am Druckbegrenzungsventil 50 eingestellte Druck oberhalb
des höchsten
Steuerdrucks liegt, den die Druckregelventile 38, 40 erzeugen
können,
ist keine Beeinträchtigung
des Normalbetriebs gegeben.
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Die
nach links gerichtete Betätigung
des Steuerschiebers 26, zur Umgehung des blockierten Druckregelventils 40,
kann insbesondere durch Druckbeaufschlagung des Federraums 33 erfolgen. Ein
Maschinenbediener, der merkt, dass das Druckregelventil 40 blockiert – etwa weil
der hydraulische Verbraucher trotz eines beendeten Bedienvorgangs nicht
stoppt –,
kann am Bedienelement gegensteuern. Dadurch erzeugt das Druckregelventil 38 einen Steuerdruck
in dem Federraum 33 und bewirkt eine nach links gerichtete
Kraft auf den Steuerschieber 26. Zudem wirkt seitens der
Feder 35 eine Kraft, die dem vor dem Blockieren erzeugten
Steuerdruck in dem Federraum 32 entspricht, auf den nach
rechts ausgelenkten Steuerschieber 26. Die durch die Feder 35 ausgeübte Kraft
entspricht jedoch mindestens der Federvorspannung.
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Erreicht
der Druck in dem Federraum 32 – aufgrund der Spannung der
Feder 35 und dem Steuerdruck in dem Federraum 33 – einen
Wert, der mindestens dem an Druckbegrenzungsventil 50 eingestellten
Druck entspricht, so fließt
das Steuerfluid in dem Federraum 32 über das Rückschlagventil 46 und
das Druckbegrenzungsventil 50 ab. Somit kehrt der Steuerschieber 26 in
die zentrierte Stellung zurück.
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Damit
die Verdrängung
des Steuerfluids aus dem Federraum 32 durch Druckbeaufschlagung
des Federraums 33 möglich
ist, darf der am Druckbegrenzungsventil 50 eingestellte
Druck höchstens
der Summe aus dem Druckäquivalent
der Federvorspannung und dem höchsten
erzeugbaren Steuerdruck entsprechen. Dann kann auch ein gering ausgelenkter
Steuerschieber 26 unter Verdrängung von Steuerfluid über das
Rückschlagventil 46 und
das Druckbegrenzungsventil 50 in die zentrierte Stellung
zurückgeführt werden.
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Gängige Druckregelventile
sind in der Lage einen Steuerdruck von 30 bar zu erzeugen. Die Vorspannung
der Federn 34 und 35, die den Steuerschieber 26 zentrieren,
entspricht jeweils einem Druck von 5 bar, der auf die Seitenfläche des
Steuerschiebers 26 einwirkt. Vorzugsweise ist dementsprechend
das Druckbegrenzungsventil 50 auf einen Druck zwischen
32 bar und 35 bar eingestellt. Auf diese Weise lässt sich der Steuerschieber 26 zuverlässig in
die zentrierte Stellung zurückführen, selbst wenn
eines der Ventile 38, 40, die den Steuerdruck erzeugen,
blockiert. Die Rückführung des
Steuerschiebers 26 ist ohne mechanischen Eingriff in die Ventilscheibe 1 – alleine
durch hydraulische Betätigung – möglich.
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Die
für die
Verdrängung
von Steuerfluid aus dem linken Federraum 32 beschriebenen
Mechanismen gelten in analoger Weise natürlich auch für den rechten
Federraum 33, insbesondere hinsichtlich einer Verdrängung von
Steuerfluid über
das Rückschlagventil 47 und
das Druckbegrenzungsventil 50.
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In
dem beschriebenen Beispiel wurde eine unerwünschte Auslenkung des Steuerschiebers 26 mittels
einer entgegengesetzten Betätigung
durch den Maschinenbediener korrigiert. Eine Rückführung des Steuerschiebers unter
Umgehung eines Vorsteuerventils ist jedoch auch durch eine automatische elektronische
Steuerung durchführbar.
Dazu wird zunächst
die Stellung des Steuerschiebers 26 erfasst. Kehrt der
Steuerschieber 26 nicht in die zentrierte Stellung zurück, obwohl
an keinem der Druckregelventile ein Soll-Druck vorgegeben ist, so
beaufschlagt die elektronische Steuerung durch Betätigung eines
Druckregelventils den Steuerschiebers 26 in einer seiner
Auslenkung entgegengesetzten Richtung. Dabei lässt sich ein blockiertes Druckregelventil über die
Fluidleitung 48 umgehen.
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Anstatt
die Stellung des Steuerschiebers 26 zu erfassen, lässt sich
auch durch Erfassung des Betriebszustands, wie z.B. einer Drehzahl,
eines hydraulischen Verbrauchers auf die Stellung des Steuerschiebers 26 schließen.
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Anstatt über zwei
Druckregelventile 38, 40 lässt sich ein vorgesteuertes
Wegeventil auch über ein
ebenfalls als Wegeventil ausgeführtes
Vorsteuerventil hydraulisch betätigen.
Sieht man erfindungsgemäß eine Fluidleitung
vor, über
die Steuerfluid unter Umgehung des Vorsteuerventils aus den Steuerdruckkammern
verdrängbar
ist, so lässt
sich der Steuerschieber des vorgesteuerten Ventils auch bei einem
Versagen des Vorsteuerventils aus einer betätigten Stellung zurückführen. Der
dazu nötige
Druck kann z.B. durch Handbetätigung
aufgebaut werden. Alternativ kann eine hydraulische Notbetätigung des Steuerschiebers
vorgesehen sein.
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Die 2 zeigt
das Schaltbild einer hydraulischen Steuervorrichtung 52,
die mit zwei stetig verstellbaren, vorgesteuerten Wegeventilen 54 und 55 zur
Steuerung hydraulischer Verbraucher ausgestattet ist. Die Wegeventile 54 und 55 können analog
zu der in 1 dargestellten Wegeventilscheibe
aufgebaut sein. Die jeweiligen Steuerschieber der Wegeventile 54 und 55 sind
durch Federn zentriert. An die (nicht dargestellten) Steuerdruckkammern
der Wegeventile 54 und 55 ist jeweils ein elektrisch
betätigtes
Druckregelventil 60, 61, 62 und 63 zur
Erzeugung eines vorgegebenen Steuerdrucks angeschlossen. Die Druckregelventile 60, 61, 62 und 63 werden über eine
Steuerfluidversorgungsleitung 18 mit einem Steuerfluid
versorgt. Der Steuerfluidversorgungsdruck wird durch eine Pumpe 56 aufgebaut
und ist durch das Druckbegrenzungsventil 57 festgelegt. Des
Weiteren ist eine Steuerfluidrückführleitung 20 an
jedes Druckregelventil 60, 61, 62, 63 angeschlossen,
um Steuerfluid zu einem Tank 58 zurückzuführen.
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Die
Steuerdruckkammern jedes Wegeventils sind über jeweils ein Rückschlagventil 64, 65, 66 und 67 an
eine Fluidleitung 68 angeschlossen. Die Rückschlagventile 64, 65, 66 und 67 öffnen in
Richtung der Fluidleitung 68. Die Fluidleitung 68 führt über ein Druckbegrenzungsventil 70 zum
Tank. Das Druckbegrenzungsventil 70 kann durch Handbetätigung geöffnet werden.
Ein Nachsaugventil 71 ist parallel zum Druckbegrenzungsventil 70 geschaltet
und öffnet
zur Fluidleitung 68 hin. Das Nachsaugventil 71 kann auch
in das Druckbegrenzungsventil 70 integriert sein.
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Das
Funktionsprinzip der in 2 dargestellten Steuervorrichtung
entspricht im Wesentlichen dem Funktionsprinzip der in 1 dargestellten Steuervorrichtung,
die auf zwei Wegeventile erweitert wurde.
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Aus
jeder Steuerdruckkammer der zwei Wegeventile 54 und 55 ist
unter einem Druck, der dem Ansprechdruck des Druckregelventils 70 entspricht, Steuerfluid
unter Umgehung der Druckregelventile 60, 61, 62, 63 verdrängbar. Das
Steuerfluid fließt
in diesem Fall über
das entsprechende Rückschlagventil 64, 65, 66; 67 über die
Fluidleitung 68 und das Druckbegrenzungsventil 70 zum
Tank 58. Der Ansprechdruck des Druckbegrenzungsventils 70 liegt oberhalb
des höchsten
durch die Druckregelventile 60, 61, 62, 63 erzeugbaren
Steuerdrucks. Der Ansprechdruck liegt außerdem nicht über einem
Druck, der der Federvorspannung zuzüglich des höchsten durch die Druckregelventile 60, 61, 62, 63 erzeugbaren
Steuerdrucks entspricht.
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Somit
lässt sich
der Steuerschieber jedes Wegeventils 54 und 55 zuverlässig in
die federzentrierte Stellung zurückführen, selbst
wenn eines der Druckregelventile versagt. Insbesondere kann die Rückführung des
Steuerschiebers durch hydraulische Betätigung erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft an der in 2 dargestellten Steuervorrichtung
ist, dass aus jeder Steuerdruckkammer der Wegeventile 54, 55 Steuerfluid
in eine einzige gemeinsame Fluidleitung 68 verdrängbar ist.
Zudem wird zur Absicherung der Steuerdruckkammern nur ein einziges
Druckbegrenzungsventil 70 benötigt. Die in 2 dargestellte
Steuervorrichtung lässt
sich auf einfache Weise um weitere Wegeventile erweitern. Deren
Steuerdruckkammern werden zur Absicherung über ein zur Fluidleitung 68 hin öffnendes
Rückschlagventil
in die Fluidleitung 68 angeschlossen.
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Der
Ansprechdruck des Druckbegrenzungsventils 70 lässt sich
unabhängig
von dem Versorgungsdruck der Steuerfluidversorgungsleitung 18 einstellen.
Die Steuerfluidversorgungsleitung 18 kann auf einen höheren Druck
als das Druckbegrenzungsventil 70 oder auf einen höheren Druck
als der höchste
durch die Druckregelventile 60, 61, 62, 63 erzeugbare
Steuerdruck eingestellt sein, um weitere Steuerfluidverbraucher
zu versorgen oder um kürzere
Regelzeiten zu gewährleisten.
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Die
in 2 dargestellte Steuervorrichtung 52 erlaubt
es zusätzlich,
die Steuerdruckkammern der Wegeventile 54, 55 bzw.
das Steuerfluidsystem auf einfache Weise zu entlüften. Dazu lässt sich
das Druckbegrenzungsventil 70 mittels Handbetätigung öffnen. In
die Steuerdruckkammern strömendes Steuerfluid
kann ungehindert über
die Rückschlagventile 64, 65, 66, 67 und
das geöffnete
Druckbegrenzungsventil 70 zum Tank 58 abfließen. Zusammen
mit dem Steuerfluid wird eingeschlossene Luft zum Tank 58 hin
abgeführt.
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Die 3 stellt
ein Schaltbild einer weiteren hydraulischen Steuervorrichtung 72 dar.
Die Steuervorrichtung 72 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten
Steuervorrichtung 52 wie im Folgenden dargelegt. Dabei
sind gleichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet.
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Die
Steuerdruckräume
der Wegeventile 54 und 55 sind über Rückschlagventile 64, 66 und 65, 67 an
zwei separate Zweige 68a und 68b einer Fluidleitung
angeschlossen. Die Fluidleitung 68a und 68b dient
im Fall eines Defekts eines der Vorsteuerventile 60, 61, 62 und 63 als
Entlastungsleitung. Die in 3 links
angeordneten Steuerdruckkammern der Wegeventile 54 und 55 sind über die
Rückschlagventile 64 und 66 an
den Leitungszweig 68a angeschlossen. Der Leitungszweig 68a führt zum
Einen über
ein weiteres Rückschlagventil 78 zum
Druckbegrenzungsventil 74. Zum Anderen ist der Zweig 68a über ein Schaltventil 76 direkt
mit einem Tank verbindbar. Die in 3 rechts
angeordneten Steuerdruckkammern sind über die Rückschlagventile 65 und 67 an
den Leitungszweig 68b angeschlossen. Dieser führt über das
Rückschlagventil 77 zum
Druckbegrenzungsventil 74. Außerdem ist ein Schaltventil 75 vorhanden,
durch das der Leitungszweig 68b mit einem Tank verbindbar
ist. Die Schaltventile 75 und 76 sind jeweils
so konfiguriert, dass sie in einer unbetätigten Stellung den jeweiligen
Leitungszweig 68a bzw. 68b mit dem Tank verbinden
und in einer betätigten
Stellung eine Verbindung zwischen dem Leitungszweig 68a bzw. 68b und
dem Tank unterbrechen.
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Wie
bei der in 2 dargestellten Steuervorrichtung 52 lässt sich
bei der Steuervorrichtung 72 im Fall der Blockade eines
Vorsteuerventils – im
Folgenden als Beispiel das Vorsteuerventil 60 – Steuerfluid aus
der angesteuerten Steuerdruckkammer des Wegeventils 54 über das
Rückschlagventil 64,
den Leitungszweig 68a, das Rückschlagventil 78 und
das Druckbegrenzungsventil 74 zum Tank 58 verdrängen. Somit
kann durch Ansteuern des Vorsteuerventils 61 und durch
die Wirkung der Rückstellfedern
am Steuerschieber des Wegeventils 54 Steuerfluid aus der
linken Steuerdruckkammer über
das Rückschlagventil 64 verdrängt werden,
bis der Steuerschieber in seine Neutralstellung zurückgekehrt
ist.
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Zusätzlich lassen
sich die Leitungszweige 68a und 68b unabhängig voneinander
durch das Schaltventil 75 bzw. 76 jeweils zum
Tank hin entlasten. Im normalen Betriebszustand sind die Schaltventile 75 und 76 betätigt, d.h.
sie unterbrechen die Verbindung zwischen den Leitungszweigen 68a und 68b und
dem Tank. Bei einer Blockade z.B. des Vorsteuerventils 60 kann
man das Schaltventil 76 in die unbetätigte Stellung schalten, so
dass der Leitungszweig 68a druckentlastet ist. Dann kann
Steuerfluid aus der linken Steuerdruckkammer des Wegeventils 54 über das
Rückschlagventil 64 zum
Tank hin abfließen.
Der Steuerschieber des Wegeventils 54 kehrt daraufhin in
seine Neutralstellung zurück.
Wenn man durch Betätigung
des Vorsteuerventils in der rechten Steuerdruckkammer des Wegeventils 54 einen
Steuerdruck erzeugt, kann der Steuerschieber sogar über die
Neutralstellung hinaus in Richtung einer Verkleinerung der linken
Steuerdruckkammer ausgelenkt werden. Dies ermöglicht es, einen von dem Wegeventil 54 angesteuerten
hydraulischen Verbraucher/Motor nicht nur anzuhalten, sondern diesen auch
eine Rückzug-
bzw. Rückfahrbewegung
ausführen
zulassen. Dadurch werden wichtige, z.B. für hydraulische Fahrantriebe
maßgebliche
Sicherheitsanforderungen erfüllt.
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Die
fluidische Trennung der Leitungszweige 68a und 68b durch
die Rückschlagventile 77 und 78 erlaubt
es, die Leitungszweige unabhängig
voneinander durch die Schaltventile 75 bzw. 76 zu
entlasten. Nur so kann überhaupt
eine Betätigung
eines Wegeventils 54 oder 55 zum Ausüben einer
Rückzugbewegung
erfolgen, während
einer der Leitungszweige 68a oder 68b entlastet
ist. Zudem kann der vom Wegeventil angesteuerte hydraulische Verbraucher
durch Gegensteuern (Kontern) am Bedienelement in jedem Falle gestoppt
werden, auch wenn die Schaltventile 75 und 76 in
der betätigten
Stellung belassen werden. Für
das Zuführen
von Steuerfluid aus den Leitungszweigen 68a und 68b zum
Druckbegrenzungsventil 74 kann anstatt der gezeigten Rückschlagventile 77 und 78 auch
ein Wechselventil eingesetzt werden.
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Bei
einem Ausfall der Ansteuerelektronik kehrend die Schaltventile 75 und 76 in
eine unbetätigte
Stellung zurück,
in der die Leitungszweige 68a und 68b entlastet
sind. Dadurch werden die durch die Wegeventile 54 und 55 angesteuerten
hydraulischen Verbraucher gestoppt.
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In 4 ist
ein Schaltbild einer weiteren hydraulischen Steuervorrichtung 80 dargestellt.
Die Steuervorrichtung 80 ist mit einem vorgesteuerten, stetig
verstellbaren Wegeventil 82 ausgestattet. Der Steuerschieber
des Wegeventils 82 ist federzentriert. Die hydraulische
Ansteuerung des Wegeventils 82 erfolgt durch zwei Druckregelventile 38 und 40,
die jeweils an einen Federraum des Wegeventils 82 angeschlossen
sind. Eine Pumpe 56 gewährleistet über die
Steuerfluidversorgungsleitung 18 die Versorgung der Druckregelventile 38 und 40 mit
Steuerfluid. Der Druck in der Steuerfluidversorgungsleitung 18 ist durch
ein Druckbegrenzungsventil 84 vorgegeben. Über Steuerfluidrückführleitungen 20 sind
die Druckregelventile 38 und 40 mit dem Tank 58 verbunden.
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Parallel
zu dem Druckregelventil 38 ist ein zur Steuerfluidversorgungsleitung 18 hin öffnendes Rückschlagventil 85 zwischen
den Ausgang des Druckregelventils 38 und der Steuerfluidversorgungsleitung 18 geschaltet.
Ein weiteres Rückschlagventil 86 ist
parallel zum Druckregelventil 40 zwischen dessen Ausgang
und der Steuerfluidversorgungsleitung 18 geschaltet. Auch
das Rückschlagventil 86 öffnet in
Richtung der Steuerfluidversorgungsleitung 18.
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Aus
der mit dem Druckregelventil 38 verbundenen Steuerdruckkammer
lässt sich
somit Steuerfluid über
das Rückschlagventil 85 in
die Steuerdruckversorgungsleitung 18 verdrängen. Ebenso lässt sich
aus der mit dem Druckregelventil 40 verbundenen Steuerdruckkammer
Steuerfluid über
das Rückschlagventil 86 in
die Steuerdruckversorgungsleitung 18 verdrängen.
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Der
Druck, der benötigt
wird, um Fluid aus einer Steuerdruckkammer über das Rückschlagventil 85 oder 86 in
die Steuerfluidversorgungsleitung 18 zu verdrängen, entspricht
dem Versorgungsdruck der Steuerfluidversorgungsleitung 18.
Der Versorgungsdruck ist auf den höchsten durch die Druckregelventile 38 und 40 erzeugbaren
Steuerdruck oder geringfügig
höher eingestellt.
Damit die Verdrängung
des Fluid aus einer Steuerdruckkammer durch hydraulische Beaufschlagung
des Steuerschiebers seitens der gegenüberliegenden Steuerkammer möglich ist, darf
der Versorgungsdruck in der Steuerfluidversorgungsleitung 18 nicht
höher sein
als die Summe aus einem Druck, der der Federvorspannung der Zentriertedern
entspricht, und dem höchsten
durch die Druckregelventile 38 und 40 erzeugbaren
Steuerdruck.
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Wenn
z.B. das Druckregelventil 40 klemmt und die linke Steuerkammer
des Wegeventils 82 absperrt während der Steuerschieber nach
rechts ausgelenkt ist, kann mittels des Druckregelventils 38 ein Steuerdruck
in der rechten Steuerdruckkammer erzeugt werden. Durch die Wirkung
des in der rechten Steuerdruckkammer erzeugten Steuerdrucks und durch
die Kraft der Feder in dem rechten Federraum auf den Steuerschieber
entsteht in der linken Steuerdruckkammer ein Druck, der die Verdrängung des Steuerfluids über das
Rückschlagventil 86 in
die Steuerfluidversorgungsleitung 18 erlaubt. Das aus der
linken Steuerdruckkammer verdrängte
Steuerfluid fließt
entweder über
das Rückschlagventil 84 zum Tank 58 oder über das
Druckregelventil 38 in die rechte Steuerdruckkammer.
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Somit
kann auch bei einem Versagen eines Druckregelventils der Steuerschieber
des Wegeventils 82 zuverlässig in die zentrierte Stellung
zurückgebracht
werden. Die Steuervorrichtung gemäß 4 erzielt
die Absicherung der Steuerdruckkammern gegen ein Blockieren des
Abflusses mit einem sehr geringen Aufwand an zusätzlichen Komponenten. Es werden
lediglich Rückschlagventile 85 und 86 parallel
zu den Druckregelventilen 38, 40 geschaltet.
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Die 5 stellt
eine Ventilscheibe 90 eines Steuerblocks dar, die nach
dem in 4 dargestellten Schaltbild aufgebaut ist. Der
Aufbau der Ventilscheibe 90 entspricht in wesentlichen
Teilen dem Aufbau der in 1 dargestellten Ventilscheibe 1. Gleiche
Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und im Folgenden
nicht nochmals beschrieben.
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Insbesondere
entsprechen der Grundkörper 3 der
Ventilscheibe 90 mit seinen Bestandteilen und Anschlüssen sowie
der rechte Steuerdeckel 31 den in 1 dargestellten
jeweiligen Komponenten. Der linke Steuerdeckel 93 weist
einen Federraum 32 als linke Steuerdruckkammer auf. Darin
befindet sich die vorgespannte Feder 34 und der Federteller 28.
Im linken Steuerdeckel 93 sind weiterhin die Druckregelventile 38 und 40 eingesetzt.
Das Druckregelventil 40 erzeugt den Steuerdruck in der
Steuerdruckkammer 32. Das Druckregelventil 38 erzeugt
den in der Steuerdruckkammer 33 anstehenden Steuerdruck. Über die
Fluidkanäle 42 und 43 sind
die Druckregelventile 38 und 40 mit der Steuerfluidversorgungsleitung 18 bzw.
der Steuerfluidrückführleitung 20 verbunden.
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In
dem Steuerdeckel 93 sind zusätzlich die Rückschlagventile 85 und 86 angeordnet.
Das Rückschlagventil 85 führt vom
Fluidkanal 39, der mit dem Ausgang des Druckregelventils 38 verbunden
ist, auf den Fluidkanal 42, der mit der Steuerfluidversorgungsleitung 18 verbunden
ist. Es öffnet
in Richtung der Steuerfluidversorgungsleitung 18. Das Rückschlagventil 86 führt vom
Ausgang des Druckregelventils 40 – dem Fluidkanal 41 – ebenfalls
auf den Fluidkanal 42. Auch das Rückschlagventil 86 öffnet in Richtung
der Steuerfluidversorgungsleitung 18.
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Somit
lässt sich
auf besonders einfache Weise eine Ventilscheibe angegeben, die der
in 4 gezeigten Schaltung entspricht. Gegenüber einer herkömmlichen
Ventilscheibe ist lediglich der linke Steuerdeckel um zwei Rückschlagventile
erweitert. Obwohl die Ventilscheibe 90 eine Absicherung
gegen ein Blockieren der Druckregelventile 38 und 40 aufweist,
baut sie nur geringfügig
aufwendiger als eine herkömmliche
Ventilscheibe.
-
- 1
- Ventilscheibe
- 3
- Grundkörper
- 10
- Fluidversorgungsanschluss
- 12
- Tankanschluss
- 13
- Tankanschluss
- 16
- Lastdruckmeldeleitung
- 18
- Steuerfluidversorgungsleitung
- 20
- Steuerfluidrückführleitung
- 22
- Verbraucheranschluss
- 23
- Verbraucheranschluss
- 25
- Ventilbohrung
- 26
- Steuerschieber
- 28
- Federteller
- 29
- Federteller
- 30
- Steuerdeckel
- 31
- Steuerdeckel
- 32
- linker
Federraum/Steuerdruckkammer
- 33
- rechter
Federraum/Steuerdruckkammer
- 34
- Feder
- 35
- Feder
- 38
- Druckregelventil
- 39
- Fluidkanal
- 40
- Druckregelventil
- 41
- Fluidkanal
- 42
- Fluidkanal
- 43
- Fluidkanal
- 46
- Rückschlagventil
- 47
- Rückschlagventil
- 48
- Fluidleitung
- 50
- Druckbegrenzungsventil
- 52
- Hydraulische
Steuervorrichtung
- 54
- Stetig
verstellbares Wegeventil
- 55
- Stetig
verstellbares Wegeventil
- 56
- Pumpe
- 57
- Druckbegrenzungsventil
- 60
- Druckregelventil
- 61
- Druckregelventil
- 62
- Druckregelventil
- 63
- Druckregelventil
- 64
- Rückschlagventil
- 65
- Rückschlagventil
- 66
- Rückschlagventil
- 67
- Rückschlagventil
- 68
- Fluidleitung
- 68a
- Fluidleitungszweig
- 68b
- Fluidleitungszweig
- 70
- Druckbegrenzungsventil
mit Handbetätigung
- 71
- Nachsaugventil
- 72
- Hydraulische
Steuervorrichtung
- 74
- Druckbegrenzungsventil
- 75
- Schaltventil
- 76
- Schaltventil
- 77
- Rückschlagventil
- 78
- Rückschlagventil
- 80
- Hydraulische
Steuervorrichtung
- 82
- Wegeventil
- 84
- Druckbegrenzungsventil
- 85
- Rückschlagventil
- 86
- Rückschlagventil
- 90
- Ventilscheibe
- 93
- Steuerdeckel