DE102007052602A1

DE102007052602A1 - Vorgesteuertes Wegeventil

Info

Publication number: DE102007052602A1
Application number: DE200710052602
Authority: DE
Inventors: Georg Rausch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-03
Filing date: 2007-11-03
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Ein vorgesteuertes Wegeventil umfasst einen in einem Gehäuse beweglich geführten Steuerkolben, durch den ein Öffnungsquerschnitt zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss verstellbar ist, und eine Vorsteuereinrichtung zur Beaufschlagung einer an dem Steuerkolben vorgesehenen ersten Steuerfläche mit einem Steuerdruck. Am Steuerkolben ist eine zweite Steuerfläche vorgesehen, welche mit einem im Eingangsanschluss herrschenden Druck in Richtung einer Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts beaufschlagt ist. Die Besonderheit liegt darin, dass ein von dem Druck im Eingangsanschluss wirksam beaufschlagter Anteil der zweiten Steuerfläche mit steigendem Öffnungsquerschnitt abnimmt und dass die Vorsteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass der Steuerdruck ein vorgebbarer Bruchteil des im Eingangsanschluss herrschenden Druck ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Wegeventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Vorgesteuerte Wegeventile werden in der hydraulischen Steuerungstechnik zu Steuerung großer Volumenströme eingesetzt, insbesondere dann, wenn die auf einen Steuerkolben des Wegeventils einwirkenden hydrostatischen Kräfte nicht mehr durch eine direkte Betätigung mittels Elektromagneten etc. aufgebracht werden können. Übliche Wegeventile besitzen einen Ventilschieber, der z. B. durch Federn in einer Ruhestellung zentriert ist. Durch Beaufschlagung von stirnseitigen Steuerflächen des Schiebers mit einem Steuerdruck wird der Schieber gegen die Kraft der Federn ausgelenkt.
Für größere Volumenströme verwendet man häufig auch so genannte 2/2-Wege-Einbauventile. Diese Ventile werden durch die Druckverhältnisse an der Vorderseite und an der Rückseite ihres Schließkolbens gesteuert. Ein spezielles 2/2-Wegeventil zeigt die Firma Vickers auf dem Datenblatt GB2371B vom August 1993 unter der Bezeichnung „Valvistor^® Proportional Throttles ..." (abrufbar unter http://hydraulics.eaton.com/products/pdfs/gb2371b.pdf). Bei diesem Ventil wird der Steuerdruck auf der Rückseite des Schließkolbens über zwei verstellbare Drosseln bestimmt. Eine Zulaufdrossel vergrößert ihren Öffnungsquerschnitt mit steigendem Hub des Schließkolbens. Eine Ablaufdrossel kann willkürlich eingestellt werden. Der Schließkolben befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht wenn das Verhältnis zwischen dem Druck auf der Vorderseite und dem Druck auf der Rückseite dem umgekehrten Verhältnis der beaufschlagten Flächen entspricht. Der Schließkolben bewegt sich also in einer Weise, dass der Querschnitt der Zulaufdrossel dem Querschnitt der Ablaufdrossel proportional folgt. So ist der Hub des Schließkolbens über die Einstellung der Ablaufdrossel vorgebbar.
Dieses konventionelle Wegeventil ist aufwendig in der Herstellung. Es ist eine umfangsreiche und präzise Bearbeitung des Schließkolbens erforderlich, um die für die Zulaufdrossel erforderlichen Kanäle und Steuerkanten bereit zu stellen. Auch in der Ventilhülse sind zusätzliche Stufen erforderlich.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine möglichst einfach aufgebautes zuverlässiges vorgesteuertes Wegeventil anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine vorgesteuertes Wegeventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße vorgesteuerte Wegeventil umfasst einen in einem Gehäuse beweglich geführten Steuerkolben, durch den ein Öffnungsquerschnitt zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss verstellbar ist, und eine Vorsteuereinrichtung zur Beaufschlagung einer an dem Steuerkolben vorgesehenen ersten Steuerfläche mit einem Steuerdruck. Am Steuerkolben ist eine zweite Steuerfläche vorgesehen, welche mit einem im Eingangsanschluss herrschenden Druck in Richtung einer Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts beaufschlagt ist. Die Besonderheit liegt darin, dass ein von dem Druck im Eingangsanschluss wirksam beaufschlagter Anteil der zweiten Steuerfläche mit steigendem Öffnungsquerschnitts abnimmt, und dass die Vorsteuereinrichtung so ausgebildet ist, dass der Steuerdruck ein vorgebbarer Bruchteil des im Eingangsanschluss herrschenden Druck ist.
Auf diese Weise stellt sich bei einem bestimmten Öffnungsquerschnitt ein Gleichgewicht ein, bei dem die Höhe des Steuerdrucks mit dem dem Druck im Eingangsanschluss ausgesetzten Anteil der zweiten Steuerfläche korrespondiert. Durch die Vorgabe des Steuerdrucks als Bruchteil des Eingangsdrucks ist der eingestellte Öffnungsquerschnitts unabhängig vom Eingangsdruck. Die Steuerung des Öffnungsquerschnitts durch den Steuerkolben gehorcht einem hydrostatischen Kräftegleichgewichts. Da die Steuerflächen mit dem Eingangsdruck oder einem Bruchteil davon beaufschlagt sind, ist der Öffnungsquerschnitts lediglich von dem eingestellten Verhältnis zwischen Eingangsdruck und Steuerdruck abhängig, aber nicht von der Höhe des Eingangsdrucks. Die Veränderung eines dem Eingangsdruck ausgesetzten Flächenanteils lässt sich konstruktiv sehr einfach darstellen, wesentlich einfacher als z. B. eine mit einem Kolbenhub verstellbaren Drossel. Das erfindungsgemäße vorgesteuerte Wegeventil kann demgemäß einfach gefertigt werden, es besitzt eine geringe Komplexität und eine geringe Fehleranfälligkeit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise ist die den Steuerkolben umfassende Hauptstufe als 2/2-Wege-Einbauventil ausgebildet. An einem solchen Ventil lässt sich die Veränderung einer mit dem Eingangsdruck beaufschlagten Fläche besonders einfach darstellen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mündet der Eingangsanschluss in eine koaxial zu einer Bewegungsachse des Steuerkolbens angeordneten Zulaufbohrung. Der Steuerkolben weist an einer der Zulaufbohrung zugewandten Stirnseite einen sich verjüngenden, in die Zulaufbohrung aufnehmbaren Zapfen auf. Dies erlaubt eine kontinuierliche Variation der dem Eingangsdruck ausgesetzten Anteils der Stirnfläche mit dem Hub des Steuerkolbens.
Ein leckölfreies Ventil erhält man, wenn die Hauptstufe als Sitzventil ausgebildet ist und der Zapfen einer Sitzkante am Steuerkolben vorgelagert ist. Eine feinfühlige Steuerung auch geringer Öffnungsquerschnitte erzielt man, wenn der Zapfen an einer Stelle seiner maximalen radialen Ausdehnung eine Spielpassung mit der Zulaufbohrung besitzt.
Vorzugsweise weist der Zapfen einen Kegelstumpfabschnitt auf und eine Mantellinie des Kegelstumpfabschnitts schließt mit der Bewegungsachse eine Winkel im Bereich von 5° bis 20°, vorzugsweise 7° bis 18°, vorzugsweise 15° ein. Dies ergibt einen etwa linearen Verlauf zwischen dem Hub des Steuerkolbens und dem dem Eingangsdruck ausgesetzten Flächenanteil. Sind andere Hub-Flächen-Kennlinien gewünscht, um z. B. nicht-lineare Vorsteuereinrichtungen zu kompensieren, kann auch ein – in Querschnittsansicht – konkaver oder konvexer Verlauf der Mantellinie gewählt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorsteuereinrichtung zwei in Serie geschaltete Drosseln aufweist, wobei zumindest eine der Drosseln verstellbar ist. Dies erlaubt die einfache Darstellung einer Vorsteuer einrichtung deren Vorsteuerdruck einem vorgebbaren Bruchteil des Eingangsdrucks entspricht.
Die verstellbare Drossel kann durch ein stetig verstellbares, direkt gesteuertes Wegeventil oder durch ein Schaltventil mit einer Elektronik zur getakteten Ansteuerung des Schaltventils dargestellt werden. Stetig verstellbare Ventile sind erprobt und günstig in der Beschaffung. Bei Verwendung eines Schaltventils wird das Druckverhältnis zwischen Eingangsdruck und Steuerdruck durch Veränderung des Tastverhältnisses des Schaltventils eingestellt. Das Schaltventil kann einen einfacheren, wartungsärmeren Aufbau als ein Stetigventil besitzen.
Einen besonders einfachen Aufbau des vorgesteuerten Wegeventils erzielt man, wenn eine nicht verstellbare Drossel in einem im Steuerkolben ausgeführten Kanal angeordnet ist.
Vorzugsweise ist am Steuerkolben durch eine Druckmittelbeaufschlagung der ersten Steuerfläche eine Kraft in Schließrichtung bewirkt. Bei einer solchen Bauform benötigt man am Steuerkolben nur zwei Steuerflächen. Prinzipiell kann dabei ein herkömmliches 2/2-Wege-Einbauventil mit modifizierten Schließkolben verwendet werden. Es müsste nur die dem Eingangsanschluss zugewandte zweite Steuerfläche entsprechend umgestaltet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass am Steuerkolben durch eine Druckmittelbeaufschlagung der ersten Steuerfläche eine Kraft in Öffnungsrichtung bewirkt ist. Dies erlaubt ein schnelles, zuverlässiges Öffnen des Steuerkolbens.
Vorzugsweise ist am Steuerkolben eine dritte Steuerfläche vorhanden, an der eine Druckmittelbeaufschlagung eine Kraft in Schließrichtung bewirkt. Die dritte Steuerfläche ist mit dem im Eingangsanschluss herrschenden Druck beaufschlagt und ist größer als die zweite Steuerfläche aber kleiner als die Summe der ersten und zweiten Steuerfläche. Auf diese Weise erzielt man die stabile Steuerung des Öffnungsquerschnitts durch den Steuerkolben nach Maßgabe eines hydrostatischen Kräftegleichgewichts.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 stellt ein vorgesteuertes Wegeventil mit einem Steuerkolben dar, an welchem wenigstens vier axial ausgerichtete Steuerflächen gebildet sind, und
2 zeigt ein vorgesteuertes Wegeventil mit einem einfacheren Steuerkolben.
Gemäß 1 besitzt ein vorgesteuertes Wegeventil 1 eine Hauptstufe 3 und eine Vorsteuerstufe 5. Bestandteil der Hauptstufe 3 ist ein gestufter Steuerkolben 7, der in einem Gehäuse 9 oder in einer Ventilhülse beweglich geführt ist. In dem Gehäuse 9 sind ein axialer Anschluss A und ein radialer Anschluss B vorhanden. Der Druckmittelfluss von A nach B wird durch die axiale Stellung des Steuerkolbens 7 gesteuert. Über den Steuerkolben 7 ist so ein Öffnungsquerschnitt zwischen dem Anschluss A und dem Anschluss B einstellbar. Vom Anschluss A zweigt die Versorgungsleitung 6 zu nicht dargestellten hydraulischen Verbrauchern ab. Der Anschluss B ist zum Tank entlastet.
Von der dem Anschluss A zugewandten Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7 ausgehend weitet sich dieser zunächst in einem Konusabschnitt 11 auf und setzt sich über einen kurzen Zylinderabschnitt 13 in eine schräg angestellte radial vorspringende Schulter 15 fort, worauf ein weiterer längerer Zylinderabschnitt 17 folgt. Jenseits des Zylinderabschnitts 17 springt ein Bund 19 vor. Ein weiterer, gegenüber dem Bund 19 radial zurückgesetzter Zylinderabschnitt 21 bildet den Endabschnitt. Das Gehäuse 9 ist so beschaffen, dass die radial äußere Ringkante 16 der Schulter 15 mit einer sich in Richtung des Eingangsanschlusses A verjüngenden Sitzkonusfläche 23 einen Ventilsitz ausbildet. Stromaufwärts des Ventilssitzes geht die Sitzkonusfläche 23 in eine Zylinderbohrung 25 über, in die der Konusabschnitt 11 und teilweise der Zylinderabschnitt 13 bei geschlossener Hauptstufe 3 aufgenommen sind. Stromab des Ventilsitzes ist eine Ringkammer 27 gebildet, die in den Anschluss B führt. Abseitig des Anschlusses A sind im Gehäuse 9 an den Bund angrenzende Steuerkammern 29 und 31 gebildet. Der Endabschnitt 21 ist in eine Bohrung aufgenommen, so dass ein weitere Steuerkammer 33 durch dessen Stirnseite begrenzt wird. Das Gehäuse 9 ist üblicherweise mehrteilig aufgebaut. Es könnte z. B. einen Ventilblock und eine Ventilhülse, welche die Abschnitte 11 bis 17 des Steuerkolbens 7 aufnimmt, sowie einen Steuerdeckel, welcher die Abschnitte 19 und 21 des Steuerkolbens 7 aufnimmt, umfassen. Ein solcher Aufbau wird z. B. bei den so genannten Aktivlogikventilen verwendet. Auf den Aufbau des Gehäuses 9 wird hier nicht weiter eingegangen, da dies für die grundsätzliche Funktion unerheblich ist.
Über einen Steuerkanal 35 ist der Anschluss A mit der Steuerkammer 33 verbunden. Die Kammer 31 ist entlastet. Ein weiterer Steuerkanal 36 führt vom Anschluss A über ein 2/2-Wege-Proportionalventil 39 und eine dem nachgeschaltete Düse 41 zum Tank. Ein Abgriff 37 zwischen dem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 und der Düse 41 führt in die Kammer 29.
Nachfolgend wird die Funktion des in 1 dargestellten Wegeventils 1 beschrieben. In der Kammer 33 wirkt der im Anschluss A anstehende Druck an der Fläche C in Schließrichtung des Steuerkolbens 7. In der Kammer 29 wirkt an der Fläche X am Bund 19 der über die Druckteilerschaltung aus dem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 und der Drossel 41 eingestellte Steuerdruck in Öffnungsrichtung.
An der dem Anschluss A zugewandten Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7 wirkt der in A anstehende Druck ebenfalls in Öffnungsrichtung. Abhängig vom Hub h des Steuerkolbens 7 ändert sich jedoch die Größe der an der Stirnseite 45 mit dem Druck im Anschluss A beaufschlagten Fläche. Bei geschlossenem Steuerkolben 7 wird zunächst die mit d bezeichnete Fläche, die sich aus dem Radius der äußeren Ringkante 16 ergibt, vollständig druckbeaufschlagt. Beim Beginn des Öffnens des Steuerkolbens 7 verringert sich die mit dem Druck in A beaufschlagte Fläche auf die durch den Zylinderabschnitt 13 überdeckte Kreisfläche Z₁. Beim weiterem Öffnungsvorgang reduziert sich die mit dem Druck in A beaufschlagte Fläche an der Stirnseite 45 nochmals. Diese Fläche Isst sich als der Anteil der Kreisfläche der Zylinderbohrung 25, welcher am Übergang in die Sitzkonusfläche 23 vom Steuerkolben 7 eingenommen wird, veranschaulichen. Der Minimalwert der vom Druck in A beaufschlagten Fläche an der Stirnseite 45 ist die mit Z₂ bezeichnete Stirnfläche des Konusabschnitts 11. Die – vom Maximalwert d ausgehende – hubabhängige Verringerung der vom Druck in A beaufschlagten Fläche der Stirnseite 45 sei mit Δd(h) bezeichnet.
Die Größe der Flächen wird so gewählt, dass die Fläche C größer als die Fläche d und kleiner als die Summe der Flächen d und X ist. Wenn das 2/2-Wege-Proportionalventil 39 geschlossen ist, ist die Steuerkammer 29 druckentlastet. Der im Anschluss A anstehende Druck wirkt auf die Flächen C und d. Da die Fläche C größer ist, überwiegt am Steuerkolben 7 die in Schließrichtung gerichtete Kraft. Der Steuerkolben 7 sitzt auf seiner Sitzfläche 23 auf. Die Verbindung A–B ist geschlossen.
Durch Einstellen eines bestimmten Öffnungsgrads am 2/2-Wege-Proportionalventil 39 lässt sich ein vom Druck A abhängiger Steuerdruck in der Steuerkammer 29 einstellen. Genauer gesagt wird das Druckteilungsverhältnis der Druckteilerschaltung der Düse 41 und dem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 über das 2/2-Wege-Proportionalventil 39 eingestellt. Der als Zwischendruck erhaltene und der Steuerdruckkammer 29 zugeführte Steuerdruck t × P_A entspricht dem Produkt eines Teilerfaktors t mit dem in A anstehenden Druck P_A. In dem Teilerfaktor t sind die Öffnungsquerschnitte der Düse 41 und dem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 berücksichtigt.
Übersteigt die Summe der durch den Steuerdruck t × P_A auf die Fläche X aufgebrachte Kraft und der auf die Stirnseite 45 aufgebrachten Kraft die an der Fläche C auf den Steuerkolben 7 aufgebrachten Kraft, hebt der Steuerkolben 7 von der Sitzfläche 23 ab und beginnt die Verbindung A–B zu öffnen. Gleichzeitig reduziert sich die dem Druck in A ausgesetzte Fläche an der Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7 um Δd(h). Es stellt sich ein Kräftegleichgewicht nach folgender Bedingung ein. PA × C = PA × [d – Δd(h)] + t × PA × X (Formel 1)
Nach kürzen von P_A: C = [d – Δd(h)] + t × X (Formel 2)
Die Kraft, die an der Fläche X in Öffnungsrichtung wirkt, wird beim Öffnen des Steuerkolbens 7 durch die Verringerung der druckbeaufschlagten Fläche d – Δd(h) an der Stirnseite 45 kompensiert, bis sich bei einem bestimmten Öffnungshub h das beschriebene Kräftegleichgewicht eingestellt hat. Durch eine Verringerung oder Erhöhung des Teilerfaktors t – also durch Verstellung des 2/2-Wege-Proportionalventils 39 – lässt sich der Öffnungshub h des Steuerkolbens 7 und somit der Öffnungsgrad des Ventils 1 steuern. Eine Änderung des Drucks P_A bleibt ohne Einfluss auf den Öffnungsgrad, da sich die Druckänderung auf alle der druckbeaufschlagten, für die Gleichgewichtsbedingung relevanten Flächen C, d und X des Steuerkolbens 7 gleichermaßen auswirkt. Der Öffnungshub h des Steuerkolbens ist nur von dem eingestellten Teilerfaktor t und nicht vom Druck P_A abhängig, wie die Formel 2 zeigt.
Das vorgesteuerte Wegeventil 1 ist gemäß der 1 parallel zu an der Versorgungsleitung 6 angeschlossenen Verbrauchern geschaltet. Es ist als Bypass eingesetzt, um z. B. nicht benötigte Druckmittelmenge abzuführen, oder um die Verbraucher gezielt und willkürlich zu entlasten. Das Wegeventil 1 wäre jedoch auch in Serie zu einem Verbraucher einsetzbar, um die diesem zugeführte Druckmittelmenge einzustellen. Der Lastdruck eines am Anschluss B angeschlossenen Verbrauchers hat keinen Einfluss auf den Öffnungshub des Steuerkolbens 7, da der Steuerkolben 7 keine Fläche besitzt, an der er aus dem Anschluss B druckbeaufschlagt ist.
In der Steuerkammer 33 kann eine schwach vorgespannte Feder angeordnet sein, welche dafür sorgt, dass der Steuerkolben 7 z. B. bei fehlender Druckbeaufschlagung aus dem Anschluss A in der geschlossenen Grundstellung verbleibt.
Eine zweites Ausführungbeispiel ist in der 2 dargestellt. Das Wegeventil 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels beruht auf dem gleichen Wirkprinzip, ist jedoch etwas einfacher aufgebaut als das Wegeventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder gleichartige Bestandteile werden im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht mehr im Detail beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung geht vor allem auf die Unterschiede zwischen dem Wegeventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem Wegeventil 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein.
Das in 2 dargestellte Wegeventil 1 besitzt ebenfalls eine Hauptstufe 3 und eine Vorsteuerstufe 5. Die Hauptstufe 3 umfasst den Steuerkolben 7, der im Gehäuse 9 beweglich geführt ist. Im Gehäuse 9 sind ein axialer Anschluss A und ein radialer Anschluss B vorhanden. Der Anschluss A ist über die Versorgungsleitung 6 mit einer Druckmittelquelle verbunden. Der Anschluss B ist zum Tank entlastet. Der Steuerkolben 7 umfasst von seiner dem Anschluss A zugewandten Stirnseite 45 ausgehend – wie der Steuerkolben 7 im ersten Ausführungsbeispiel – einen Konusabschnitt 11 mit der Stirnfläche Z2. Es schließt sich ein Zylinderabschnitt 13 mit der Kreisfläche Z1 und eine schräg angestellte Schulter 15 an. Die Schulter 15 endet an einer Sitzkante 16 mit einer Kreisfläche d. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel folgt nur eine weitere Stufe. In zwei Zylinderabschnitten 18 und 20 setzt sich der Steuerkolben zu seiner vom Anschluss A abgewandten Stirnfläche W fort. Die Stirnfläche W ist geringfügig größer als die Kreisfläche d an der Sitzkante 16.
Entsprechend der einfacheren Form des Steuerkolbens 7 ist auch das Gehäuse 9 etwas einfacher gestaltet. Auf die Bohrung 25, in die bei geschlossenen Ventil der Konusabschnitt 11 und teilweise der Zylinderabschnitt 13 vorstehen, folgt die Sitzkonusfläche 23. Die Sitzkonusfläche 23 geht in einen Ringkanal 27 über, der mit Anschluss B in Verbindung steht. Es folgt eine Bohrung 28, in der durch den Zylinderabschnitt 20 mit der Stirnfläche W eine Steuerkammer 33 begrenzt ist.
Entlang der Längsachse des Steuerkolbens 7 verläuft ein Steuerkanal 50. An der Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7 ist der Steuerkanal 50 mit einer eingeschraubten Düse 52 versehen. Aus der Steuerkammer 33 führt ein weiterer Steuerkanal 54 zu einem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 und weiter zum Tank. Die Düse 52 und das 2/2-Wege-Proportionalventil 39 bilden eine Druckteilerschaltung, durch die sich in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des 2/2-Wege-Proportionalventils 39 ein Zwischendruck in der Steuerkammer 33 einstellen lässt. Der Zwischendruck verhält sich proportional zum im Anschluss A anstehenden Druck P_A und lässt sich als t₂ × P_A ausdrücken. In dem Teilerfaktor t₂ sind die Öffnungsquerschnitte der Düse 52 und dem 2/2-Wege-Proportionalventil 39 berücksichtigt.
Der im Anschluss A anstehenden Druck P_A beaufschlagt die dem Anschluss A zugewandte Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7 direkt. Mit steigendem Öffnungshub h des Steuerkolbens 7 verringert sich die an der Stirnseite 45 mit dem Druck P_A beaufschlagte Fläche zu d – Δd(h) – wie im ersten Ausführungs beispiel bereits erläutert – aufgrund des ab der Sitzkante 16 sich in Richtung der Stirnfläche Z2 verjüngenden Querschnitts des Steuerkolbens 7.
Bei geschlossenen 2/2-Wege-Proportionalventil 39 herrscht an der hinteren Stirnfläche W der gleiche Druck wie an der Stirnseite 45 des Steuerkolbens 7. Aufgrund des Flächenüberschusses der Stirnfläche W gegenüber der Fläche d an der Sitzkante 16 sitzt der Steuerkolben 7 auf der Sitzkonusfläche 23 auf. Durch Einstellen eines bestimmten Öffnungsquerschnitts am 2/2-Wege-Proportionalventil 39 wird der Druck in der Steuerkammer 33 auf den Zwischendruck t₂ × P_A abgesenkt. Unterschreitet die an der Fläche W durch den Druck t₂ × P_A erzeugt Kraft t₂ × P_A × W die an der Stirnseite 45 bei geschlossenen Steuerkolben 7 einwirkende Kraft P_A × d, beginnt der Steuerkolben 7 zu öffnen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem die Absenkung des Drucks in der Steuerkammer 33 von P_A nach t₂ × P_A durch die Verkleinerung der an der Stirnseite 45 vom Druck P_A beaufschlagten Fläche d – Δd(h) kompensiert wird, nach folgender Bedingung: t2 × PA × W = PA × [d – Δd(h)] (Formel 3)
Nach kürzen von P_A: t2 × W = [d – Δd(h)] (Formel 4)
Der sich einstellende Öffnungshub h lässt sich also unabhängig vom Druck P_A im Anschluss A durch Einstellen eines Öffnungsquerschnitts am 2/2-Wege-Proportionalventil 39 vorgeben.
In der Steuerkammer 33 kann eine schwach vorgespannte Feder angeordnet sein, welche dafür sorgt, dass der Steuerkolben 7 z. B. bei fehlender Druckbeaufschlagung aus dem Anschluss A in der geschlossenen Grundstellung verbleibt.
Erfindungsgemäß ist bei einem vorgesteuerten Wegeventil ein Steuerkolben an einer ersten Fläche mit einem Steuerdruck beaufschlagbar. An einer zweiten Fläche nimmt ein von dem Druck im Eingangsanschluss wirksam beaufschlagter Flächenanteil mit steigendem Öffnungsquerschnitts der Hauptstufe – also mit steigendem Öffnungshub des Steuerkolbens – ab. Die Vorsteuereinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass der Steuerdruck ein vorgebbarer Bruchteil des im Eingangsanschluss herrschenden Drucks ist.
Bei einem bestimmten Öffnungshub des Steuerkolbens stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem die Höhe des Steuerdrucks mit dem dem Druck im Eingangsanschluss ausgesetzten Anteil der zweiten Fläche korrespondiert. Durch die Vorgabe des Steuerdrucks als Bruchteil des Eingangsdrucks ist der eingestellte Öffnungshub bzw. der Öffnungsquerschnitt unabhängig vom Eingangsdruck.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://hydraulics.eaton.com/products/pdfs/gb2371b.pdf [0003]

Claims

Vorgesteuertes Wegeventil, umfassend einen in einem Gehäuse beweglich geführten Steuerkolben (7), durch den ein Öffnungsquerschnitt zwischen einem Eingangsanschluss (A) und einem Ausgangsanschluss (B) verstellbar ist, und eine Vorsteuereinrichtung zur Beaufschlagung einer an dem Steuerkolben (7) vorgesehenen ersten Steuerfläche (X; W) mit einem Steuerdruck, wobei am Steuerkolben eine zweite Steuerfläche (d) vorgesehen ist, welche mit einem im Eingangsanschluss (A) herrschenden Druck in Richtung einer Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Druck im Eingangsanschluss (A) wirksam beaufschlagter Anteil der zweiten Steuerfläche (d) mit steigendem Öffnungsquerschnitt abnimmt, und dass die Vorsteuereinrichtung (5) so ausgebildet ist, dass der Steuerdruck ein vorgebbarer Bruchteil des im Eingangsanschluss (A) herrschenden Drucks ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Steuerkolben (7) umfassende Hauptstufe (3) als 2/2-Wege-Einbauventil ausgebildet ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsanschluss (A) in eine koaxial zu einer Bewegungsachse des Steuerkolbens (7) angeordnete Zulaufbohrung (25) mündet, und dass der Steuerkolben (7) an einer der Zulaufbohrung (25) zugewandten Stirnseite (45) einen sich verjüngenden, in die Zulaufbohrung (25) aufnehmbaren Zapfen (11, 13) aufweist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstufe (3) als Sitzventil ausgebildet ist und dass der Zapfen (11, 13) einer Sitzkante (16) am Steuerkolben (7) vorgelagert ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (11, 13) an einer Stelle (13) seiner maximalen radialen Ausdehnung eine Spielpassung mit der Zulaufbohrung (25) besitzt.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (11, 13) einen Kegelstumpfabschnitt (11) aufweist und dass eine Mantellinie des Kegelstumpfabschnitts (11) mit der Bewegungsachse des Steuerkolbens (7) einen Winkel im Bereich von 5° bis 20°, vorzugsweise 7° bis 18°, vorzugsweise 15° einschließt.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen eine konkave oder eine konvexe Mantellinie aufweist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuereinrichtung (5) zwei in Serie geschaltete Drosseln (39, 41; 39, 52) aufweist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Drosseln (39) verstellbar ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine verstellbare Drossel (39) ein stetig verstellbares, direkt gesteuertes Wegeventil umfasst.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine verstellbare Drossel ein Schaltventil und eine Elektronik zur getakteten Ansteuerung des Schaltventils umfasst.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine nicht verstellbare Drossel (52) in einem im Steuerkolben (7) ausgeführten Kanal (50) angeordnet ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerkolben (7) durch eine Druckmittelbeaufschlagung der ersten Steuerfläche (W) eine Kraft in Schließrichtung bewirkt ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerkolben (7) durch eine Druckmittelbeaufschlagung der ersten Steuerfläche (X) eine Kraft in Öffnungsrichtung bewirkt ist.
Vorgesteuertes Wegeventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Steuerkolben (7) eine dritte Steuerfläche (C) vorhanden ist, an der eine Druckmittelbeaufschlagung eine Kraft in Schließrichtung bewirkt, dass die dritte Steuerfläche (C) mit dem im Eingangsanschluss (A) herrschenden Druck beaufschlagt ist, und dass die dritte Steuerfläche (C) größer als die zweite Steuerfläche (d) aber kleiner als die Summe der ersten (X) und zweiten Steuerfläche (d) ist.