DE102009025827A1

DE102009025827A1 - Hydraulikschaltvorrichtung für die Mobilhydraulik, mobile Hydraulikmaschine und Ventileinheit

Info

Publication number: DE102009025827A1
Application number: DE200910025827
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Post; Michael N. South Point Wheeler; Richard G. Corpus Christi Wheeler sen.; Robert Wadsworth Weber
Original assignee: Bucyrus DBT Europe GmbH; Bucyrus International Inc
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH; Caterpillar Global Mining LLC
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25
Also published as: CL2011002927A1; EP2433019A1; AU2010250869A1; CN102575692A; US20130042935A1; WO2010134001A1; CN102575692B; CA2760497A1; US9206821B2; JP2012527586A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hydraulikschaltvorrichtung 10 für die Mobilhydraulik von z.B. Hydraulikbaggern, mit einem Ventilblock, mit elektrohydraulisch ansteuerbaren Ventileinheiten zur Steuerung der Bewegung eines Arbeitszylinders 6, dessen Zylinderräume ZA, ZB wahlweise mit einem Pumpenanschluss P für Hydraulikfluid, mit einem Tankanschluss T oder miteinander verbindbar sind, und mit Vorsteuerventilen zur Ansteuerung der Ventileinheiten, wobei mit der Hydraulikschaltvorrichtung durch den erfindungsgemäßen von separaten Tankventileinheiten C2, C4 und Pumpenventileinheiten C1, C3 sowie einem geeigneten Vorsteuersystem 7 neben einer Wegeventilfunktion auch eine direkt gesteuerte und überlagert vorgesteuerte Senkbremsfunktion, eine Maximaldruckabsicherung der Zylinder und eine proportionale Drosselventilfunktion zum kontrollierten Verfahren bei negativen Lastkräften in Bewegungsrichtung und Abbremsen bei Notstopp realisierbar ist. Die Erfindung betrifft ferner auch mobile Hydraulikmaschinen mit einer solchen Hydraulikschaltvorrichtung sowie Ventileinheiten hierfür.

Description

Die Erfindung betrifft Hydraulikschaltvorrichtung für die Mobilhydraulik von mobilen Hydraulikmaschinen, insbesondere von Hydraulikbaggern, mit einem Ventilblock, mit im Ventilblock angeordneten elektrohydraulisch ansteuerbaren Ventileinheiten zur Steuerung der Bewegung eines Arbeitszylindern mit zwei entgegengesetzt wirkenden, jeweils über einen Zylinderanschlüsse am Ventilblock anschließbaren Zylinderräumen, wobei die Zylinderanschlüsse wahlweise mit einem Pumpenanschluss für Hydraulikfluid, mit einem Tankanschluss oder miteinander verbindbar sind, und mit Vorsteuerventilen für die elektrohydraulische Ansteuerung der Ventileinheiten, wobei mit der Hydraulikschaltvorrichtung eine Wegeventilfunktion für die Richtung der Bewegung und eine Senkbremsfunktion für den Bewegungsablauf der Bewegung des zugeordneten Arbeitszylinders steuerbar ist. Die Erfindung betrifft ferner mobile Hydraulikmaschinen mit einer solchen Hydraulikschaltvorrichtung sowie Ventileinheiten hierfür.
Für fahrbare, mithin mobile Arbeitsmaschinen hat sich aus den besonderen Randbedingungen und Anforderungen auf die konstruktive Ausführung der hydraulischen Geräte die eigenständige Gruppe der Mobilhydraulik parallel zur Stationärhydraulik entwickelt und die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Mobilhydraulik. In hydraulischen Antrieben zur Steuerung eines Hydrozylinders oder Hydromotors erfolgt die Antriebsbewegung normalerweise mit in einem Pumpenaggregat erzeugten Druck und Durchfluss gegen die von außen auf den Zylinder einwirkenden Lastkräfte gegen die Bewegungsrichtung (positive Lastkräfte). Es können im Bewegungsablauf aber auch negative Lastkräfte in Bewegungsrichtung – wie beim Absenken von Hebelasten, Abbremsen von bewegten Massen oder Lastrichtungsumkehr – auftreten, die zum unerwünschten Voreilen und unkontrollierten Absenken des Zylinders führen. Neben der unkontrollierten Bewegung würde auf der vom Pumpendurchfluss angetriebenen Zylinderseite ein Unterdruck mit Kavitation entstehen, wodurch die Hydroanlage beschädigt werden kann. Zur Steuerung der Arbeitszylinder in mobilen Hydraulikmaschinen werden speziell für den Einsatz in der Mobilhydraulik konzipierte 6/3-Wegeventile in Kolbenschieber-Bauart mit proportionaler Drosselfunktion eingesetzt, die bei Ansteuerung sowohl den Ölzufluss von der Pumpe zum Arbeitszylinder als auch den Ölabfluss vom Arbeitszylinder zum Tank proportional gesteuert androsseln. Die Hauptarbeitsbewegungen – in der Regel beim Ausfahren des Zylinders – erfolgen mit positiven Kraftbelastungen, wobei die Last drückend entgegen der gewünschten Bewegungsrichtung des Verbrauchers wirkt. Es können aber auch negative Kraftbelastungen in beiden Bewegungsrichtungen auftreten, wobei die Last ziehend in die gleiche Richtung wie die gewünschte Bewegungsrichtung wirkt wie zum Beispiel beim Absenken von Lasten, Abbremsen großer bewegter Massen und Lastwechsel von außen einwirkender Kräfte. Das hat zur Folge, dass der vom Zylinder abfließende Volumenstrom zum Tank angedrosselt werden muss, um ungewünschte Beschleunigung und unkontrollierte Bewegung des Zylinders zu verhindern und es ist bekannt, hierzu Ventile mit Senkbremsfunktion vorzusehen. In der Mobilhydraulik werden komplexe Mobilsteuerblöcke mit mehreren 6/3-Wegeventilen mit allen erforderlichen Zusatzfunktionen einschließlich der Durchflussverteilung auf die angeschlossenen Zylinder von einer Förderpumpe eingesetzt.
Baggerausleger und andere Arbeitsmanipulatoren wie Schaufeln, Löffel oder Schieberpflug werden im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen heute überwiegend vom Bediener durch Handhebel-Vorsteuergeräte (Joysticks) gesteuert. Beim Auftreten problematischer Betriebszustände, die beispielsweise durch wechselnde Lasten oder besonders schnelle oder langsame Bewegungen hervorgerufen werden können, muss dabei vom Bediener eine entsprechende Stellsignal-Korrektur für das Einhalten der erwünschten Sollbewegungen durchgeführt werden, was entsprechende Schulung und Erfahrung erfordert. Für die Zylindersteuerung Ausleger und Stiel eines Schaufelbaggers ergibt sich als gesonderte Funktion, dass nach dem Arbeitsgang Ausfahren das Absenken beim Rückhub der Zylinder durch Eigengewicht ohne Pumpenzufluss erfolgen soll. Diese Funktion wird im Folgenden als „Floating” bezeichnet. Hierzu werden Kolbenseite und Stangenseite des Arbeitszylinders zum Umlauf verbunden oder kurzgeschlossen. Das durch die Gewichtskraft von der Kolbenseite verdrängte Öl fließt zur Auffüllung des nachgesaugten Ölvolumens teilweise zur Stangenseite und die Restmenge zum Tank. Die Senkgeschwindigkeit wird durch ein Drossel-Umlaufventil variabel fernbedienbar elektrohydraulisch proportional gesteuert. Die zum Tank fließende Restmenge fließt über ein Vorspann-Rücklaufventil, welches den Druck im Zylinderanschluss soweit vorspannt, dass durch Strömungsverluste in der Zylinderleitung keine Kavitation im Zylinder auftreten kann. Diese für das Absenken im Umlauf durch Eigengewicht erforderlichen Ventile müssen zusätzlich im Hauptstrom mit entsprechender Durchflusskapazität zwischen Mobilsteuerblock und Zylinder installiert werden. Da die bisher eingesetzte Mobilhydraulik über einen Bypass einen Durchfluss im Teillastbereich bewirkt, entstehen erhebliche hydraulische Energieverluste, die den Wirkungsgrad des Antriebes erheblich vermindern und eine große Kühlleistung der Hydraulikanlage erfordern. Dieser Verlusteffekt tritt besonders beim Abbremsen von negativen Lastkräften in Bewegungsrichtung auf, da die bisher eingesetzten Ventileinheiten mit Ventilschiebern in Schließrichtung zum Androsseln des vom Zylinder zurückströmenden Durchflusses immer im Feinsteuerbereich mit Steuerkanten-Unterschneidung betätigt werden müssen. Diese durch das Ventil-Steuerungsprinzip bedingten hydraulischen Energieverluste treten mit anwachsender Baugröße und Antriebsleistung der mobilen Arbeitsmaschine immer stärker als Nachteil in den Vordergrund.
Insbesondere bei mobilen Großmaschinen und Großraumbaggern, wie sie z. B. im Übertagebergbau eingesetzt werden, kommen wegen der hohen zu beherrschenden Lasten, der erforderlichen Durchflussmengen und Durchflussleistungen von weit über 1000 L/min und der oben genannten Nachteile meist mobile Maschinen mit Seilsteuerung zum Einsatz.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hydraulikschaltvorrichtungen für die Mobilhydraulik zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, mit weniger hydraulischen Energieverlusten betrieben wer den können und auch bei hydraulischen Großmaschinen einen Verzicht auf Seilsteuerungen ermöglichen.
Diese sowie weitere Aufgaben werden mit der in Anspruch 1 für die Hydraulikschaltvorrichtung angegebenen Erfindung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, spezielle Lösungen für das Hauptanwendungsgebiet von hydraulischen Großmaschinen sowie vorteilhaft einsetzbare Ventileinheiten sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für einen Arbeitszylinder vier Kegelsitzventile aufweisende Kegelsitz-Ventileinheiten mit jeweils einem federbelasteten Ventilkegel im Ventilblock vorgesehen sind, von denen die erste Ventileinheit eine Pumpenventileinheit zwischen dem ersten Zylinderraumanschluss und dem Pumpenanschluss, die zweite eine Tankventileinheit zwischen dem ersten Zylinderraumanschluss und dem Tankanschluss, die dritte Ventileinheit eine Pumpenventileinheit zwischen dem zweiten Zylinderraumanschluss und dem Pumpenanschluss und die vierte Ventileinheit eine Tankventileinheit zwischen dem zweiten Zylinderraumanschluss und dem Tankanschluss bildet, wobei mit den Tankventileinheiten über ein zugeordnetes, mehrere Vorsteuerventile umfassendes Vorsteuerventilsystem druckabhängig in Abhängigkeit vom Druck in den Zylinderraumanschlüssen eine Druckbegrenzungsfunktion und die Senkbremsfunktion für beide Bewegungsrichtungen bewirkbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtung wird der Steuerblock mit vier wahlweise auf größte Durchflussleistungen ausgelegten Kegelsitzventil-Ventileinheiten zur Steuerung der Arbeitszylinder mit den Wegeventilfunktionen Start, Stopp und Bewegungsrichtungsteuerung sowie durch ein geeignetes Vorsteuerventilsystem auch Absenken durch Gewichtsbelastung in Zylinder-Umlaufsteuerung ohne Zusatzventile versehen, wobei die Tankventileinheiten in Abhängigkeit vom Vorsteuerventilsystem zusätzliche Ventilfunktionen wie direkt gesteuerte mit überlagerter vorgesteuerter Senkbremsfunktion, Maximaldruckabsicherung der Zylinder und proportionale Drosselventilfunktion zum kontrollierten Verfahren bei negativen Lastkräften in Bewegungsrichtung und Abbremsen bei Notstopp erhalten können. Insbesondere für Hydraulikbagger zum Bewegen großer Lasten ist vorteilhaft, wenn zur Erzielung einer optimalen Energie ausnutzung die Geschwindigkeitssteuerung der Bewegung Arbeitszylinder direkt durch Verstellung des Pumpenförderstromes ohne zusätzliche Drosselventilfunktionen erfolgt. Über die beiden Pumpenventileinheiten können die Zylinderanschlüsse jeweils mit einem Pumpenaggregat verbunden werden. Über die Tankventileinheit können die Zylinderanschlüsse jeweils mit dem Tank verbunden werden. Die Ventilkegel der Tankventileinheiten werden druckabhängig über einen Steueranschluss sowie die vorzugsweise in einem Ventilblock integrierten Pilot- und Vorsteuerventile gesteuert und positioniert.
Zur Optimierung der Mobilhydraulik ist besonders vorteilhaft wenn mit den Tankventileinheiten zusätzlich zur Wegeventilfunktion für Start, Stopp und Richtungsbeeinflussung eine Sperrfunktion in Nullstellung, Maximaldruckabsicherung der beiden Zylinderräume, mithin einer Kolbenseite bzw. einer Zylinder-Stangenseite des Arbeitszylinders, eine Gegendruckfunktion mit Anpassung des Gegendruckes an die Zylinder-Lastkraft, mithin eine Senkbremsventilfunktion mit aufsteuerbarer, entlastbarer Gegendruckfunktion für beide Bewegungsrichtungen des Arbeitszylinders, und eine elektrohydraulische Proportionaldrosselventilfunktion für die Zylinderabfluss-Steuerung zum Tank beim Abbremsen negativer Zylinder-Lastkräfte und bewegter Massen unabhängig von der Förderstromsteuerung der Pumpen gewährleistet wird. Weiter vorteilhaft ist, wenn die Proportionaldrosselventilfunktion auch noch zur Steuerung des Absenkvorganges für den Zylinderrückzug durch Zylinder-Lastkraft (Gewichtskraft) ohne Pumpenzufluss, d. h. ein sogenanntes ”Floating” genutzt werden kann, was insbesondere realisierbar ist, wenn gemäß einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Proportionaldrosselventilfunktion über das Vorsteuerventilsystem in beide Tankventileinheiten integriert wird. Die Zusammenfassung von mehreren Ventilfunktionen in eine Ventileinheit erfordert entsprechend einen aus mehreren Pilot- oder Vorsteuerventilen aufgebauten Vorsteuer-Kreislauf in einem Vorsteuerventilsystem, und nachstehend werden zahlreiche vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten von Ventileinheiten und Vorsteuerventilsystem zur Erzielung der mehreren Ventilfunktionen bei kompaktem und betriebsicherem Aufbau der Hydraulikschaltvorrichtung aufgezeigt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Ventilkegel der Tankventileinheiten eine mit dem Druck im zugehörigen Zylinderanschluss direkt beaufschlagte Sitzfläche und eine mit demselben Druck indirekt unter Zwischenschaltung eines Druckbegrenzungsventils im Vorsteuerventilsystem beaufschlagte Steuerfläche aufweisen. Die Schaltstellung des Ventilkegels ist abhängig vom Steuerdruck auf die Steuerfläche im Verhältnis zu den Druckkräften, die auf die Sitzflächen über den Hydraulikdruck in den Zylinderraumanschlüssen wirksam sind. Bei Steuerdruckentlastung öffnet der Ventilkegel und es kann eine Durchströmung in beiden Richtungen erfolgen, bei Steuerdruckbeaufschlagung schließt der Ventilkegel und sperrt die Durchströmung leckölfrei. Weiter vorzugsweise kann in einer Steuerleitung zwischen dem Zylinderanschluss und dem Druckbegrenzungsventil eine Düse und/oder einer Steuerleitung zwischen dem Druckbegrenzungsventil und einem Steuerraum zur Druckbeaufschlagung der Steuerfläche eine Düse angeordnet sein. Die Tankventileinheiten können dann in ihrer Ausgangsfunktion vorgesteuerte Druckbegrenzungsventile bilden wobei durch Schalten eines Vorsteuerventils im Pilotventilsystem eine zusätzliche Druckentlastung erzielt werden kann.
Um den Öffnungsdruck des Ventilkegels auf Sperrdrücke von z. B. 60 bar bis 100 bar zu erhöhen, wie sie insbesondere bei Einsatz der erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtungen in der Mobilhydraulik von Schwerlastbaggern auftreten können, kann der Ventilkegel der Tankventileinheit zusätzlich zu einer Ventilfeder mit der Federkraft eines Tellerfederpakets in Richtung Ventilsitz beaufschlagt sein. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ventilkegel als Hohlbuchse mit einem der Sitzfläche gegenüberliegenden Hohlraum ausgebildet, wobei die Ventilfeder und ein Stößel jeweils mit einem Ende am Boden des Hohlraums am Ventilkegel anliegen und das andere Ende des Stößels mit der Federkraft des Tellerfederpakets beaufschlagt ist. Durch den Einbau einer von einem Stößel geführten Tellerfedersäule in die Tankventileinheiten können über den Stößel zusätzliche hohe Schließkräfte auf den Ventilkegel übertragen werden und es kann eine zusätzliche direkt gesteuerte Druckbegrenzung bewirkt werden. Dadurch und durch die Reibung zwischen den in Serie angeordneten Tellerfedern verbessert sich die Stabilität im Regel verhalten bei den installierten vorgesteuerten Druckfunktionen. Die direkt einwirkende Schließfunktion des Tellerfederpakets auf den Ventilkegel ergibt eine zusätzliche Sicherheitsfunktion, weswegen selbst bei Ausfall der Vorsteuerung – zum Beispiel beim Verstopfen der Zulaufdüse zum Druckbegrenzungsventil und dadurch fehlende Druckaufbau auf die Ventilkegel-Steuerfläche dieser direkt wirkende Gegendruck der Tellerfederkraft zum Abbremsen erhalten bleibt.
Besonders vorteilhaft ist, wenn bei den Tankventileinheiten zwischen dem Tellerfederpaket und dem Ventilkegel eine Hubkolbenhülse mit Hubkolben angeordnet ist, wobei die dem Tellerfederpaket abgewandt liegende Fläche des Hubkolbens eine Hubkolbensteuerseite bildet und über eine Steuerleitung mit dem Hydraulikdruck des jeweils anderen Zylinderraumanschlusses beaufschlagbar oder beaufschlagt ist. Vorzugsweise ist der Hubkolben am Stößel verschieblich geführt und relativ zum Stößel in Axialrichtung beweglich. Diese Hubkolbenfunktion ist mechanisch kinematisch von der Ventilkegel-Stößel Bewegung entkoppelt und wirkt nur auf die Säule des Tellerfederpakets, sodass durch die Ventilvorsteuerung gesteuerte Schließ- und Druckfunktionen mit dem Ventilkegel parallel und zeitgleich möglich sind. Es ergibt sich die Funktion eines direkt gesteuerten Senkbremsventils mit aufsteuerbarer Gegendruckfunktion.
Um eine erweiterte Senkbremsfunktion auch für höhere Lasthaltedrücke von bis etwa 350 bar zu erreichen, kann gemäß einer Ausführungsalternative im Ventilvorsteuersystem ein direkt gesteuertes Pilot-Senkbremsventil mit einem Ventilkegelschieber angeordnet sein, der eine Öffnungsdruckfläche hat, die über ein vorzugsweise elektrisch ansteuerbares Pilotventil mit dem Druck der mit dem zugeordneten Zylinderraumanschluss verbundenen Steuerleitung beaufschlagt ist, und der eine Druckaufsteuerfläche hat, die über eine Druckrückführungsleitung mit dem Druck im anderen Zylinderraum zur Bewirkung einer zusätzlichen Druckentlastung an der Steuerdruckfläche des Ventilkegels beaufschlagt ist. Bei Ansteuerung eines Pilotventils wird dieses direkt gesteuerte Senkbremsventil mit aufsteuerbarer Gegendruckfunktion als Vorsteuerventil zur Drucksteuerung des Ventilkegels der Tankventileinheit eingeschaltet. Die Tankventileinheit arbeitet dann in der Grundfunktion als hydraulisch vorgesteuertes Senkbremsventil. Das Vorsteuerventil kann auf den maximalen Lasthaltedruck der jeweiligen Anwendung mit einer zusätzlichen Sicherheit von 20–30% eingestellt werden, damit diese Zylinderlast sicher gegen unerwünschtes Absenken blockiert wird. Durch die Druckrückführung öffnet das Pilot-Senkbremsventil bei wesentlich niedrigeren Drücken als der eingestellte maximale Lasthaltedruck und erzeugt an der Steuerdruckfläche des Ventilkegel einen niedrigen Steuerdruck, der zusammen mit der direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel und Tellerfederpaket einen resultierenden Brems-Gegendruck auf z. B. der Zylinder-Kolbenseite bewirkt. Dieser Brems-Gegendruck bleibt auch bei wechselnder negativer Lastkraft gerade noch so hoch, dass sich permanent ein geringer Antriebsdruck auf der Stangenseite des Arbeitszylinders einstellt. Die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel, Stößel, Hubkolben und Tellerfederpaket ist bei geringem Antriebsdruck auf der Stangenseite (oder der Kolbenseite) immer wirksam. Die vorgesteuerte Senkbremsfunktion wird nur bei hohem Antriebsdruck auf der Stangenseite aktiviert, um bei gleichzeitig negativer Lastkraft über den Steuerdruck am Ventilkegel den erforderlichen Gegendruck für ein kontrolliertes Absenken zu erzeugen. Bei Lastwechsel und positiver Lastkraft F gegen die Bewegungsrichtung kann durch den erforderlichen hohen antreibende Pumpendruck auf der Zylinderstangenseite das Tellerfederpaket durch den Hubkolben bis zu einem Hubkolbenanschlag angehoben werden, dass es nicht mehr auf den Ventilkegel wirksam ist. Gleichzeitig kann das Pilot-Senkbremsventil vollständig aufgesteuert und der Steuerdruck am Ventilkegel komplett zum Tank entlastet werden, so dass der Ventilkegel gegen die Ventilfeder wie ein Rückschlagventil öffnet, wodurch ein die Einfahrbewegung bremsender Gegendruck auf der Kolbenseite vermieden wird. Bei plötzlichem Stopp im Notfall kann ferner der Ventilkegel unabhängig von dem Verband Hubkolben-Tellerfederpaket durch Entlastung des Pilot-Wegeventil in Schließstellung verfahren. Der Einfluss der vorgesteuerten Senkbremsventilfunktion lässt sich durch Einsatz von austauschbaren Pilot-Senkbremsventilen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen durch abgestufte Druckaufsteuerflächen verändern und somit an die unterschiedlichen Verhältnisse der Gesamtsteuerung anpassen. Eine weitere Anpassung der Einwirkung dieser vorgesteuer ten Senkbremsventilfunktion ist über die Größe einer dem Pilot-Senkbremsventilen vorzugsweise vorgeschalteten Düse möglich. Die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel und Tellerfederpaket und Hubkolben zur Gegendrucksteuerung führt zu einem wesentlich verbesserten Stabilitätsverhalten.
Um das Übersetzungsverhältnisses für die direkte Senkbremsfunktion zur Verminderung des Antriebsdruckes auf einfache Weise ändern zu können, ist vorteilhaft, wenn der Hubkolben in einem auswechselbaren Einsatz eingebaut ist, der als Baueinheit komplett funktionsfähig nach Demontage eines Ventilblockdeckels austauschbar ist und ggf. durch Hubkolben mit unterschiedlichen hydraulischen Wirkflächen ersetzbar ist.
Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist mit der Hydraulikschaltvorrichtung eine Proportionaldrosselventilfunktion möglich. Die zusätzliche Proportionaldrosselfunktion kann insbesondere über die Tankventileinheiten und das Vorsteuersystem zur Regelung des Hydraulikölstroms vom Zylinder zum Tankanschluss gesteuert werden. Mit der Proportionaldrosselfunktion wird sichergestellt, das ein ”Floating”, d. h. eine Steuerung der Absenkbewegung durch Eigengewicht ohne Pumpenzufluss für den Zylinderrückzug, möglich ist, eine Begrenzung der maximalen Zylindergeschwindigkeit bei verzögertem Ansprechen der Senkbremsventilfunktion und/oder bei extremen Zylinderlastverhältnissen gewährleistet ist, und ferner eine proportional gesteuerte Abfluss-Drosselfunktion bei Lastzyklen mit auftretenden Stabilitätsproblemen während der Senkbremsfunktion ermöglicht ist. In Normalfall soll hierbei die Absenkbewegung der Zylinder durch die auf den Zylinder wirkende Gewichtskraft als negativer Lastkraft in Bewegungsrichtung erfolgen. Durch Ansteuerung von weiteren Pilot-Wegeventile können die beiden Pumpenventileinheit C1 und C3 geöffnet und die Zylinderräume des Arbeitszylinders, mithin Kolbenseite und Stangenseite des Arbeitszylinders, hydraulisch verbunden werden. Wird gleichzeitig Tankventileinheit gedrosselt geöffnet, fließt entsprechend dem Flächenverhältnis des Zylinders eine Teilmenge des von der Kolbenfläche verdrängten Durchflusses über die hierzu in Serie angeordneten Pumpenventileinheit zur Auffüllung des von der Zylin der-Stangenseite ZB nachgesaugten Ölvolumens. Der verbleibende überschüssig verdrängte Restfluss fließt gedrosselt zum Tank ab, wobei durch Einstellen des Drossel-Öffnungsquerschnitts die Absenkgeschwindigkeit des Zylinders bestimmt. Ein Rückfluss zur Pumpe wird vorzugsweise durch ein Rückschlagventil im Pumpenzulauf verhindert. Da die Gewichtskraft nach der Kurzschluss-Verbindung der Zylinderanschlüsse direkt auf die Kolbenstangenfläche wirkt, wird durch den entstehenden höheren Druck durch Druckbeaufschlagung des Hubkolbens über die Steuerleitung Z2 dieser das Tellerfederpaket anheben und die Schließkraft auf den Ventilkegel ganz aufheben oder mindestens zum Großteil kompensieren.
Der zu einem vorgegebenen elektrischen Signal proportionale Öffnungshub des Ventilkegels der Tankventileinheiten kann mit verschiedenen elektrohydraulischen Positioniersystemen erzeugt werden. Für das bevorzugte Anwendungsgebiet von Hydraulikbaggern, die rauen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, werden vorzugsweise einfache, robuste Systeme ohne am Ventil installierte Elektronik für interne Rückführungen bevorzugt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann, insbesondere zur Einstellung des Drossel-Öffnungsquerschnitts, den Tankventileinheiten jeweils ein Stellkolbensystem mit interner Lageregelung durch Kraftabgleich zugeordnet sein. Das Stellkolbensystem ist vorzugsweise in einem sich an den Einbauraum für das Tellerfederpaket anschließenden Abschnitt angeordnet und weist einen druckbeaufschlagten Stellkolben auf, der in Schließrichtung des Ventilkegels vorgespannt am Stößel anliegt. Der Stellkolben weist vorzugsweise eine Druckfläche auf, die größer, vorzugsweise etwa 1,1 bis 2,2-fach größer ist als die Sitzfläche des Ventilkolbens der zugeordneten Tankventileinheit. Die Druckbeaufschlagung des Stellkolbens ist vorzugsweise mittels eines Proportionalmagneten, eines Steuerkolbens und einer Rückführfeder verstellbar und/oder dem Stellkolbensystem ist ein Steuerventil mit wechselseitiger Pumpenanschluss- oder Tankanschlussverbindung zugeordnet. Die Proportionaldrosselfunktion kann dann überlagert zur Öffnungshubbegrenzung während der Senkbremsfunktion und separat auch als Abflussdrosselung beim Zylinderabsenken durch Eigengewicht (Floating) wirksam werden, wobei die Schließkraft der Tellerfederpaket entsprechend dem sich einstellenden Zylinderdruck nach dem Verbinden der beiden Zylinderseiten vermindert oder aufgehoben wird. Durch die kraftschlüssige Verbindung des Ventilkegels über den Stößel gegen den Stellkolben mit vergrößerter Druck-Wirkfläche entsteht ein Differential-Kolbenverband, der durch Drucksteuerung auf die in Schließrichtung wirkenden Stellkolbenfläche über ein 3-Wege-Steuerventil mit wechselseitiger Druck- oder Tankverbindung positioniert werden kann. Die Positionierung erfolgt im geschlossenen Lageregelkreis durch Kraftabgleich am Steuerkolben zwischen der Stellkraft des Proportionalmagneten als Sollwert und der vom Stellkolben proportional zum Öffnungshub erzeugten Federkraft einer Rückführfeder als Istwert. Alternativ können den Tankventileinheiten zur Steuerung des Drossel-Öffnungsquerschnitts jeweils ein elektrischer Schrittmotor, insbesondere ein Linearmotor, und ein Folgekolbensystem mit Steuerkolben und Folgekolben zugeordnet sein. Die Positionierung des Öffnungshubes von dem Proportionaldrosselventil kann stetig analog durch Verstellung des Steuerventils durch den Proportionalmagneten oder den elektrischen Linearmotor während der Absenkbewegung erfolgen. Die Hub-Öffnungsposition kann aber auch als fester Sollwert am Proportionalmagneten oder dem elektrischen Linearmotor vor der Absenkbewegung eingestellt werden. Bei Betätigung eines zugeordneten Pilot-Wegeventil läuft der Stellkolben beziehungsweise Folgekolben gekoppelt mit dem Ventilkegel auf diese vorgegebene Position ein.
Die Pilotsteuerventile und Pilotwegeventile des Vorsteuerventilsystems und/oder der gesamte Pilotsteuerkreislauf sind vorzugsweise in einem Ventilgehäusedeckel angeordnet, der lösbar mit dem Ventilblock verbindbar ist.
Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung betrifft Hydraulikmaschinen, insbesondere Hydraulikgroßbagger mit Durchflussleistungen von weit über 1000 L/min, mit wenigstens einem Hydraulikzylinder als Arbeitszylinder zur Verstellung wenigstens eines mit einem Arbeitsgerät wie Löffel, Schaufel od. dgl. verbundenen Arms, mit einer Pumpenaggregat zur Erzeugung eines Hydraulikölstroms, mit einer einen Ventilblock aufweisenden Hydraulikschaltvorrichtung als Mobilhydraulik für die Hydraulikmaschine, mit im Ventilblock angeordneten elektrohydrau lisch ansteuerbaren Ventileinheiten zur Steuerung der Bewegung des Arbeitszylindern und mit Vorsteuerventilen in der Hydraulikschaltvorrichtung für die elektrohydraulische Ansteuerung der Ventileinheiten, wobei mit der Hydraulikschaltvorrichtung eine Wegeventilfunktion für die Richtung der Bewegung und eine Senkbremsfunktion für den Bewegungsablauf der Bewegung des zugeordneten Arbeitszylinders steuerbar ist, wobei bei diesen Hydraulikmaschinen eine erfindungsgemäß ausgebildete Hydraulikschaltvorrichtung, wie oben beschrieben, eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist dann, wenn, insbesondere zur Erzielung einer optimalen Energieausnutzung in allen Lastbereichen mit besonderer Berücksichtigung der Teillast, die Geschwindigkeitssteuerung der Arbeitszylinder nur über den Pumpenförderstrom ohne zusätzliche Steuerventil-Drosselverluste durchgeführt wird. Bei Einsatz von Dieselmotoren als Antriebsaggregat kann hierzu die Pumpenfördermenge mit Verstellpumpen erzeugt werden und durch elektrohydraulische Verstellung des Schwenkwinkels der Förderstrom und somit die Geschwindigkeit der Arbeitszylinder gesteuert werden. Zusätzliche Drosselventile im Zylinderzufluss mit Energieverlusten zur Steuerung des Förderstromreglers der Verstellpumpe sind dann nicht mehr erforderlich. Bei Einsatz von elektrischen Drehstrommotoren als Antriebsaggregat kann der Pumpenförderstrom mit Konstantpumpen erzeugt und durch Drehzahlregelung mit Frequenzumformern reguliert werden.
Die Erfindung betrifft auch die Ventileinheit für die weiter oben beschriebene Hydraulikschaltvorrichtung für mobile Hydraulikmaschinen, insbesondere Tankventileinheiten, die als in eine Bohrung im Ventilblock einsetzbares Kegelsitzventil in Cartridge-Bauweise mit Ventilhülse, Ventilkegel und Ventilfeder ausgebildet sind, wobei der Ventilkegel als Hohlbuchse mit einem einer Sitzfläche gegenüberliegenden Hohlraum als Anlagefläche für die Ventilfeder und einen mit der Federkraft eines Tellerfederpakets beaufschlagten oder beaufschlagbaren Stößel ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Tellerfederpaket und der Stößel zusammen mit einem Hubkolben in einer Hubkolbenhülse angeordnet sind, wobei der Hubkolben am Stößel verschieblich geführt und relativ zum Stößel in Axialrichtung der Aufnahmebohrung im Ventilblock beweglich ist und die dem Teller federpaket abgewandt liegende Seite des Hubkolbens eine Hubkolbensteuerseite bildet. Die Hubkolbenhülse mit den zugehörigen Funktionsteilen lässt sich vorteilhaft im Ventilblockdeckel anordnen, um durch Austausch der Hubkolbenhülse gegen eine Hubkolbenhülse mit anderen Wirkflächen und/oder durch Austausch der Cartridgeventile gegen eine Cartridgeventil mit anderer Ventil-Nenngröße eine optimale Anpassung an die benötigten Durchflusskapazitäten und Druckverhältnisse zu schaffen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtung insbesondere für den Einsatz in hydraulischen Großmaschinen werden aus der nachfolgenden Beschreibung von schematischen für den Aufbau der Schaltvorrichtung nebst zugehörigem Pilotventilsteuerkreis deutlich. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch einen Hydraulikbagger mit erfindungsgemäßer Hydraulikschaltvorrichtung;
2 schematisch anhand einer Kombination von hydraulischem Blockschaltbild und Schnittansicht durch einen Ventilblock den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtung mit 2 Tankventileinheiten und 2 Pumpenventileinheiten;
3 schematisch den Hydraulischen Kreislauf bei einer erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtung für beide Bewegungsrichtungen einer Arbeitszylinders;
4 schematisch anhand einer Kombination von hydraulischem Blockschaltbild und Schnittansicht den grundsätzlichen Aufbau einer Tankventileinheit gemäß der Erfindung;
5 in Detailansicht den Ventilkegel mit Stößelbetätigung und Hubkolben zur Entlastung des Tellerfederpakets bei der Tankventileinheit nach 4;
6 die Tankventileinheit nach 2 mit erweiterter Senkbremsfunktion für höhere Lasthalte-Drücke bis 350 bar mit zusätzlichem Pilot-Senkbremsventil in Senkbremsfunktion
7 die Tankventileinheit nach 5 bei positiver Lastkraft und vollständig entkoppelten Tellerfedern;
8 die andere Tankventileinheit in Arbeitsfunktion als Drosselventil für das Absenken in Umlaufsteuerung (Floating);
9 schematisch den Ventilblock mit allen Ventileinheiten zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders beim Floating;
10 schematisch den Ventilblock ähnlich wie in 9 in Arbeitsfunktion als Drosselventil für proportional gesteuerte Abfluss-Drosselfunktion zur Begrenzung der maximalen Zylindergeschwindigkeit;
11 schematisch den Aufbau einer der Tankventileinheiten mit Proportionalmagnet und Stellkolbensystem zur Regelung der Drosselventilfunktion;
12 in Schnittansicht den Aufbau des Stellsystems mit Stellkolben und Proportionalmagnet; und
13 schematisch den Aufbau einer der Tankventileinheiten mit Linearmotor zur Regelung der Drosselventilfunktion; in
1 zeigt einen Hydraulikbagger 1 in an sich bekannter Bauart mit Fahrwerk 2 und Drehkreuz 3, mit denen drehbar eine Arbeitsplattform mit Maschinenhaus 4, Führerhaus 8 sowie Ausleger 9, Stiel 11 und hier einem Löffel 12 als Arbeitsgerät abgestützt ist. Dem Löffel ist eine hydraulisch verschwenkbare Löffelklappe 13 zugeordnet, die ggf. mit Lösewerkzeugen für Erdreich bestückt sein kann. Ausleger 9, Stiel 11 und Löffel 12 sind über Schwenkgelenke miteinander verbunden und können unabhängig voneinander elektrohydraulisch über einen Joystick (15, 2) nebst zugehöriger elektrischer Pilotsteuerung (17, 2) sowie separate Arbeitszylinder 6 für Ausleger 9, Stiel 11 und Löffel 12 verstellt werden. Bei dem Bagger 1 handelt es sich vorzugsweise um einen Großbagger für den Materialabbau z. B. im Übertagebergbau und sämtliche Arbeitsbewegungen des Arbeitsgerätes werden hier vorzugsweise ausschließlich hydraulisch über die hydraulisch ein- und ausfahrbaren Arbeitszylinder 6 ausgeführt, wozu im Maschinenhaus 4 eine Hydraulikschaltvorrichtung 10 mit jeweils einem Ventilblock 5 und Ventilblockdeckel 26 angeordnet ist, über die der Hydraulikfluidfluss zwischen einer Pumpe 16, den Zylinderräumen der Arbeitszylinder 6 und einem Tank 19 gesteuert und geregelt werden kann.
Zur Erzielung einer optimalen Energieausnutzung in allen Lastbereichen mit besonderer Berücksichtigung der Teillast wird bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulikbagger 1 die Geschwindigkeitssteuerung der Arbeitszylinder 6 nur über den Pumpenförderstrom der Pumpe 16 ohne zusätzliche Steuerventil-Drosselverluste durchgeführt. Bei einem Dieselmotoren als Antriebsaggregat für den Hydraulikbagger 1 wird die Pumpenfördermenge mit Verstellpumpen erzeugt, wobei durch elektrohydraulische Verstellung des Schwenkwinkels der Förderstrom und somit die Geschwindigkeit der Arbeitszylinder gesteuert wird. Zusätzliche Drosselventile im Zylinderzufluss mit Energieverlusten zur Steuerung des Förderstromreglers der Verstellpumpe sind dann nicht mehr erforderlich. Bei Einsatz von elektrischen Drehstrommotoren als Antriebsaggregat kann der Pumpenförderstrom mit Konstantpumpen erzeugt und durch Drehzahlregelung mit Frequenzumformern reguliert werden.
2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Ventilblocks 5 einer erfindungsgemäßen Hydraulikschaltvorrichtung 10 zur Steuerung aller Funktionen eines zugeordneten hydraulischen Arbeitszylinders 6. Zur Steuerung eines Arbeitszylinders 6 kommen pro Zylinderraum ZA bzw. ZB, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Zylinderraum ZA den Kolbenraum und ZB den Kolbenstangenraum bezeichnet, jeweils 2 Ventileinheiten C1, C2, C3, C4 als Einbauventile in Aufnahmebohrungen 7 des Ventilblocks 5 zum Einsatz, von denen 2 die Tankventileinheiten C2, C4 bilden, die in Abhängigkeit vom Schaltzustand den über die Zylinderanschlüsse A bzw. B am Ventilblock angeschlossenen zugehörigen Zylinderraum ZA bzw. ZB mit dem Tankanschluss T verbinden, und 2 die Pumpenventileinheiten C1, C3 bilden, die die Zylinderanschlüsse A, B mit dem Pumpenanschluss P im Ventilblock 5 verbinden können. Zur Steuerung eines Zylinders 6 sind gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel genau 4 Ventileinheiten C1–C4 erforderlich, die sämtlich aus Kegelsitz-Ventilen in Cartridgebauweise bestehen und jeweils einen Ventilkegel 28 aufweisen, der im Schließzustand mit einer Ventilfeder 29 gegen einen Ventilsitz an einer Ventilhülse 27 abdichtend schließend angedrückt wird. Mit den 4 Ventileinheiten können durch ein in den Figuren übergreifend mit Bezugszeichen 7 bezeichnetes Vorsteuer- oder Pilotventilsystem mit geeignetem Aufbau eines Vorsteuerkreislaufs alle gewünschten Ventilfunktionen zur Zylindersteuerung erreicht werden, wobei sämtliche Vorsteuerventile in einen lösbar mit dem Ventilblock 5 für den Arbeitszylinder 6 verbindbaren Ventilblockdeckel 26 integriert sind. Bei einer Hydraulikschaltvorrichtung 10 für einen Hydraulikbagger müssen die besonderen Verhältnisse der Zylindersteuerungen für die Funktionen von z. B. Ausleger, Stiel, Löffel und Klappenbetätigung eines Schaufelbaggers berücksichtigt werden. Das Absenken der Arbeitszylinder für Ausleger und Stiel beim Rückhub soll durch Eigengewicht ohne Pumpenzufluss im Umlauf (Floating) erfolgen, wobei nach der erfindungsgemäßen Lösung auf den Einsatz der im Stand der Technik hierzu erforderlichen zusätzlichen Drossel-Umlaufventile und Vorspann-Rückschlagventile verzichtet wird.
Über die beiden Pumpenventileinheiten C1, C3 können die Zylinderräume ZA und ZB über die zugehörigen Zylinderanschlüsse A, B im Ventilblock 5 jeweils mit dem Pumpenaggregat 16 bzw. dem Pumpenanschluss P verbunden werden. Über die beiden Tankventileinheiten C2, C4 können die Zylinderräume ZA und ZB jeweils über den Tankanschluss T mit dem Tank verbunden werden. Wie für die Tankventileinheit C2, C4 in den 4 bis 7 im einzelnen gezeigt werden diese druckabhängig über den Steueranschluss 30 im Ventilblockdeckel 26 und die dort integrierten Pilotventile, wie noch erläutert wird, gesteuert und positioniert. Die Schaltstellung des Ventilkegels 28 ist abhängig vom Steuerdruck auf die Steuerfläche 31 im Verhältnis zu den Druckkräf ten, die auf die Arbeits- oder Sitzflächen 33 in den Hauptstrom-Arbeitsanschlüssen bzw. Zylinderanschlüssen A, B wirksam sind. Bei Steuerdruckentlastung öffnet der Ventilkegel 28 und es kann eine Durchströmung in beiden Richtungen erfolgen, bei Steuerdruckbeaufschlagung schließt der Ventilkegel 28 und sperrt die Durchströmung leckölfrei.
Das Ausfahren des Zylinders 6 im Arbeitsgang erfolgt bei Signalvorgabe am Handhebel (Joystick) 15 durch proportionale Förderstromeinstellung am Pumpenaggregat 16 zur Einstellung der Geschwindigkeit und gleichzeitiges Betätigen der Wegeventilfunktion durch Öffnen von Pumpenventileinheiten C1 und Tankventileinheiten C4 bei Ansteuerung von den in dem oder den Ventilblockdeckeln 26 angeordneten Pilot-Wegeventilen mit der elektrischen Pilotsteuerung 17, wodurch die Steuerflächen 31 im Steuerölraum 32 drucklos entlastet werden und die Ventilkegel 28 druckbeaufschlagt von den Hauptstromanschlüssen öffnen. Das Einfahren des Arbeitszylinders 6 mit Pumpenzufluss erfolgt durch Ansteuerung und Öffnen von Pumpenventileinheit C3 und Tankventileinheit C2.
Für die Funktion Floating zum Absenken des Arbeitszylinders 6 durch Eigengewicht ohne Pumpenzufluss werden die beiden Pumpenventileinheit C1, C3 zum Verbinden der Zylinderanschlüsse ZA mit ZB im Umlauf geöffnet. Durch Öffnen der mit einer zusätzlichen proportionalen Drosselfunktion zur Steuerung der Absenkgeschwindigkeit ausgestatteten Tankventileinheit C4 fließt die überschüssig verdrängte Restölmenge zum Tank.
Alle für die Zylindersteuerung benötigten Wegeventilfunktionen werden mit den 4 im Mobil-Ventilblock 5 angeordneten Kegelsitz-Ventileinheiten C1, C2, C3 und C4 ausgeführt. Jedes dieser Cartridgeventile kann durch Wahl der Ventil-Nenngröße optimal an die benötigten Durchflussanforderungen angepasst werden, weswegen eine Parallelschaltung von Ventilen zum Erreichen der Durchflusskapazität, wie im Stand der Technik bisher eingesetzt, entfällt.
Die Ventilblockdeckel 26 enthalten alle zur Steuerung der jeweiligen Ventileinheit C1, C2, C3 und C4 s erforderlichen Pilotventile, um den Mobil-Ventilblock 5 von Steuerbohrungen zu entlasten. 3 zeigt den hydraulischen Kreislauf der im Mobil-Ventilblock 5 nach 2 und in den Ventilblockdeckeln 26 angeordneten Steuerventile PVC1, PVC2, PV1, PV2, PCB, PR nebst Steuerleitungen bzw. Rückführungen XA, XB, Z1, Z2, Rückschlagventilen RZA, RZB und Düsen NC, NLP, NX1, NX2, um über den mit der Hydraulikschaltvorrichtung 10 realisierten hydraulischen Kreislauf eine Zylindersteuerung mit allen Ventilfunktionen einschließlich Senkbremsventil mit integrierter Drosselfunktion in den Tankventileinheiten C2, C4 für beide Bewegungsrichtungen des Zylinders 6, d. h. Druckbeaufschlagung des Zylinderraums ZA auf der Zylinder-Kolbenseite und des Zylinderraums ZB auf der Zylinder-Stangenseite bereitzustellen.
Zusätzlich zur Wegeventilfunktion für Start, Stopp und Richtungsbeeinflussung beinhalten die Tankventileinheiten C2, C4 über den Aufbau des Pilotsteuersystems 7 folgende Ventilfunktionen:

– Sperrfunktion in Nullstellung
– Maximaldruckabsicherung der Zylinder-Kolbenseite bez. der Zylinder-Stangenseite
– Gegendruckfunktion mit Anpassung des Gegendruckes an die Zylinder-Lastkraft, also Senkbremsventilfunktion mit aufsteuerbarer, entlastbarer Gegendruckfunktion für beide Bewegungsrichtungen des Arbeitszylinders 6
– elektrohydraulische Proportionaldrosselventilfunktion mit Mehrfachnutzen für die Zylinderabfluss-Steuerung zum Tank beim Abbremsen negativer Zylinder-Lastkräfte und bewegter Massen unabhängig von der Förderstromsteuerung der Pumpen 16 zum Einen und zur Steuerung des Absenkvorganges für den Zylinderrückzug durch Zylinder-Lastkraft (Gewichtskraft) ohne Pumpenzufluss (Floating) zum Anderen. Die Proportionaldrosselventilfunktion ist zur vielseitigen Ausnutzung und Anpassung in der Praxis in beide Tankventileinheiten C2, C4 integriert.

Der Aufbau der Tankventileinheiten und des Pilotventilsystems zur Realisierung der vorgenannten Ventilfunktion wird nun unter Bezugnahme auf die weiteren Fig. erläutert. Die Zusammenfassung von mehreren Ventilfunktionen wird durch einen aus mehreren Pilotventilen aufgebauten Vorsteuer-Kreislauf 7 für die Tankventileinheiten C2, C4 erreicht, der im Wesentlichen vollständig in den Ventilblockdeckel 26 integriert ist. Der prinzipielle Gesamtaufbau der Tankventileinheiten C2, C4 ist aus 4 ersichtlich. Die einzelnen Funktionen werden für das Tankventileinheit C2 für den Rückhub des Arbeitszylinders bei unterschiedlichen Lastverhältnissen erklärt. Die Funktion von Tankventileinheit C4 beim Ausfahren des Arbeitszylinders ist entsprechend.
In Grundstellung gemäß 4 wird bei nicht betätigten Pilot-Wegeventilen PV1, PV2 der Ventilkegel 28 mit einem Flächenverhältnis Steuerfläche 31/Sitzfläche 33 = 1:1 durch den über Anschluss XA zurück auf die Steuerfläche 31 geführten Druck unterstützt durch die Schließkraft der Ventilfeder 29 im geschlossener Stellung gehalten. Die Tankventileinheit C2 (bzw. C4) ist in ihrer Basis-Ausgangsfunktion ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit zusätzlicher Druckentlastung bei Betätigung von Magnet S3 von dem Pilot-Wegeventil PV2. In Ruhestellung bei nicht betätigten Pilot-Wegeventilen PV1 und PV2 arbeitet das Ventil C2 (oder C4) als vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil, welches den maximalen Druck im Zylinderanschluss A (oder B bei C4) bzw. Zylinderraum ZA (oder ZB bei C4) auf den am Druckbegrenzungs-Pilotventil PR (Pressure Relief) begrenzt. Der Druck vom Zylinderraum ZA (oder ZB) gelangt über Deckelanschluss X und über die Düse NX auf das Druckbegrenzungs-Pilotventil PR und von dort weiter über die Düse NC auf die Steuerfläche 1 bzw. in den Steuerölraum 32. Bei Überschreiten des an Druckventil PR eingestellten Steuerdruckes bleibt dieser konstant und bei weiterem Druckanstieg in ZA öffnet der Ventilkegel 28 mit einem um die Schließkraft der Ventilfeder 29 höheren Druck (von hier beispielsweise 4 bar und begrenzt ihn auf diesen Wert. Die Düse NX begrenzt den Pilotölstrom am Pilot-Druckventil PR, die Düse NC zum Steuerölraum 32 des Ventilkegels 28 dient zur Dämpfung und vermeidet Druckschwingungen am Ventil.
Um mit den Tankventileinheiten C2 und C4 eine Maximaldruckabsicherung, eine Senkbremsventilfunktion und eine überlagerte elektrohydraulisch betätigte Drosselventilfunktion zu gewährleisten, sind die Tankventileinheiten, wie 4 zeigt, mit einem auf dem Ventilkegel 28 sich abstützenden Stößel 34 versehen, der über einen Ansatz und den Federteller 35 die zusätzlich in Schließrichtung wirkende hohe Federkraft eines von in Serie geschalteten Tellerfedern gebildeten Tellerfederpakets 36 auf den Ventilkegel 28 überträgt. Durch diese Maßnahme wird der Öffnungsdruck des Ventilkegels 28 von vorher 4 bar durch die Ventilfeder 29 auf circa 60–100 bar bei Druck entlasteter Steuerfläche 31 erhöht. Bis zu diesem Öffnungsdruck arbeitet der Ventilkegel 28 wie ein direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil mit hoher Stabilität und geringer Schwingungsneigung. Bei vorgegebenem Maximaldruck zur Sicherung des Zylinders 6 muss das Druckbegrenzungs-Pilotventil PR um diesen Öffnungsdruck des Tellerfedernpakets 36 niedriger eingestellt werden. Zum Erreichen einer direkt gesteuerten Senkbremsfunktion mit Ventilkegel 28 und Tellerfederpaket 36 wird konstruktiv nach 4 und detailliert in 5 gezeigt in den Ventilblockdeckel 26 ein Hubkolben 38, eingepasst in einer Hubkolbenhülse 37, direkt über der Cartridge-Ventileinheit bzw. dem Ventilkegel 28 angeordnet. Der Hubkolben 38 ist verschiebbar auf dem Stößel 34 geführt und über Glydring-Dichtungen zu den benachbarten hydraulischen Druckräumen Steuerölraum 32 und Tellerfedereinbauraum 43 abgedichtet. Bei Druckbeaufschlagung der Steuerfläche 41 des Hubkolbens 38 wirkt dieser mit seiner Druckkraft gegen den Federteller 35 und kompensiert die auf den Ventilkegel 28 wirkende Schließkraft des Tellerfederpakets 36 bzw. hebt die Tellerfedern bis zum Hubkolbenanschlag 42 soweit an, dass die Kraftwirkung auf den Ventilkegel 28 entfällt.
Es wird nun zuerst unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 6 und 7 die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion für den Rückhub des Zylinders und Pumpenzufluss Im Zylinderraum ZB auf der Stangenseite des Zylinders 6 beschrieben. Der Rückhub bei negativer Zylinderlast wird durch Betätigen von Pilotventil PV2 über Magnet S2 aktiviert. Das Voreilen des Zylinders 6 wird durch den Gegendruck der auf den Ventilkegel 28 wirkenden Tellerfeder-Kräfte verhindert, und es baut sich dadurch im Zylinderraum ZB und im Anschluss B im Ventilblock 5 ein entsprechend hoher Antriebsdruck auf. Bei Beaufschlagung des Hubkolbens 38 über seitliche Bohrungen der Hubkolbenhülse 37 sowie Bohrungen im Ventilblockdeckel 26 über den Steueranschluss Z2 mit dem Druck pZB vom Zylinderraum ZB wird der von den Tellerfedern erzeugte Gegendruck teilweise kompensiert und der Antriebsdruck im Zylinderraum ZB, mithin auf der Stangenseite des Zylinders 6, wesentlich vermindert. Es ergibt sich die Funktion eines direkt gesteuerten Senkbremsventils mit aufsteuerbarer Gegendruckfunktion. Die Sitzfläche 33 des Ventilkegels 28 bildet dabei die Öffnungsdruckfläche, die Hubkolben-Steuerfläche 41 nach 4 bildet die Druckaufsteuerfläche und das Tellerfederpaket 36 bildet die Schließfeder eines direkt gesteuerten Senkbremsventils. Allerdings ist die Hubkolbenbewegung des Hubkolbens 38 mechanisch unabhängig von dem Ventilkegel 28. So kann bei aufgesteuertem Hubkolben 38 durch hohen Druck pZB auf der Zylinder-Stangenseite im Zylinderraum ZB bei Entlastung des Pilotwegeventilen PV2 zum Abbremsen des Zylinders 6 der Ventilkegel 28 unabhängig von der Hubkolbenbewegung in die Sperrstellung schalten und die Zylinderbewegung bei gleichzeitiger Maximaldruckabsicherung gegen Absenken stoppen. Zum Erreichen stabiler Regelfunktionen wird die zwischen Steueranschluss Z2 und Hubkolben 38 angeordnete Düse NLP zum Dämpfen mit kleinem Durchmesser ausgeführt, wodurch sich auch entsprechend längere Schließzeiten für den Hubkolben 38 ergeben. Durch die entkoppelte Bewegung und Steuerung des Ventilkegels 28 wird trotzdem ein schnelles Abstoppen bei Notsituationen erreicht.
Diese direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel und Tellerfederpaket ist wegen der Baugröße der Feder nur sinnvoll ausführbar bis zu maximalen Sperrdrücken von etwa 60–100 bar. Daher wird diese direkt gesteuerte Senkbremsfunktion erweitert und ergänzt für höhere Lasthalte-Drücke bis 350 bar, indem in den hydraulischen Vorsteuerkreislauf 7 eine zusätzliche Senkbremsfunktion mit einem Pilot-Senkbremsventil kleiner Baugröße integriert wird. Das vereinfachte Schema dieser aus direkt und zusätzlich vorgesteuerter Senkbremsfunktion zusammengesetzten Cartridgeausführung ist in 6 in geöffneter Funktionsweise dargestellt, wobei alle nicht beteiligten Elemente weggelassen wurden. Bei Ansteuerung von Pilotventil PV2 über Magnet S2 nach 4 bzw. 6 wird dieses direkt gesteuerte Senkbremsventil PCB (Pilot Counter Balance) mit aufsteuerbarer Gegendruckfunktion als Vorsteuerventil zur Drucksteuerung des Ventilkegel 28 eingeschaltet. Durch das Vorsteuer-Senkbremsventil PCB arbeitet die Tankventileinheit C2 (bzw. C4) in der Grundfunktion jetzt als hydraulisch vorgesteuertes Senkbremsventil. Das Vorsteuerventil PCB wird auf den maximalen Lasthaltedruck der jeweiligen Anwendung mit einer zusätzlichen Sicherheit von 20–30% eingestellt, um diese Zylinderlast sicher gegen unerwünschtes Absenken zu blockieren.
Der zum Einfahren des Zylinders trotz negativer Kraftwirkung in Einfahrrichtung erforderliche antreibende Pumpendruck im Zylinderraum ZB auf der Zylinderstangenseite beaufschlagt durch die Druck-Rückführung über den Anschluss Z2, Düse NZ2 und Aufsteueranschluss 23, die im Ventilblockdeckel 26 angeordnet bzw. ausgebildet sind, die zusätzliche Druckaufsteuerfläche 21 von Pilot-Senkbremsventil PCB. Dieses öffnet bei wesentlich niedrigeren Drücken als der eingestellte maximale Lasthaltedruck und erzeugt im Steuerölraum 32 des Ventilkegels 28 einen niedrigen Steuerdruck, der zusammen mit der direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel 28 und Tellerfederpaket 36 einen resultierenden Brems-Gegendruck pZA im Zylinderraum ZA auf der Zylinder-Kolbenseite bewirkt. Dieser Brems-Gegendruck pZA ist auch bei wechselnder negativer Lastkraft F gerade noch so hoch, dass sich ein geringer Antriebsdruck pZB im Zylinderraum ZB auf der Stangenseite des Zylinders 6 einstellt. Die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel 28, Stößel 34, Hubkolben 38 und Tellerfederpaket 36 ist bei geringem Antriebsdruck pZB im Zylinderraum ZB auf der Stangenseite immer wirksam. Die vorgesteuerte Senkbremsfunktion wird nur bei hohen Antriebsdruck pZB im Zylinderraum ZV auf der Stangenseite aktiviert, um bei gleichzeitig negativer Lastkraft über den Steuerdruck für den Ventilkegel 28 den erforderlichen Gegendruck im Zylinderraum ZA für kontrolliertes Absenken zu erzeugen. Der Hubkolben 28 hat dann das Tellerfederpaket 36 komplett entlastet, wie in 7 gezeigt, und die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion ist unwirksam.
Bei Lastwechsel und positiver Lastkraft F gegen die Bewegungsrichtung, wie in 7 gezeigt, wird jetzt durch den erforderlichen hohen antreibende Pumpendruck pZB im Zylinderraum ZB auf der Zylinderstangenseite das Tellerfederpaket 36 durch den Hubkolben 38 bis zum Hubkolbenanschlag 42 angehoben und ist nicht mehr auf den Ventilkegel 28 wirksam. Gleichzeitig wird das Pilot-Senkbremsventil PCB vollständig aufgesteuert und der Steuerdruck pC im Steuerölraum 32 des Ventilkegel 28 komplett zum Tank bzw. Tankanschluss T entlastet. Der Ventilkegel 28 öffnet gegen die Ventilfeder 29 wie ein Ruckschlagventil, sodass kein bremsender Gegendruck auf der Kolbenseite die Einfahrbewegung behindert. Bei plötzlichem Stopp im Notfall kann der Ventilkegel 28 unabhängig von dem Verband Hubkolben-Tellerfederpaket durch Entlastung von Pilot-Wegeventil PV2 in Schließstellung verfahren. Der Einfluss der vorgesteuerten Senkbremsventilfunktion lässt sich durch Einsatz von austauschbaren Pilot-Senkbremsventilen PCB mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen durch abgestufte Druckaufsteuerflächen verändern und somit an die unterschiedlichen Verhältnisse der Gesamtsteuerung anpassen. Eine weitere Anpassung der Einwirkung dieser vorgesteuerten Senkbremsventilfunktion ist über die Größe der dem Pilot-Senkbremsventilen PCB vorgeschalteten Düse NCB möglich. Die direkt gesteuerte Senkbremsfunktion mit Ventilkegel 28 und Tellerfederpaket 36 und Hubkolben 38 zur Gegendrucksteuerung führt zu einem wesentlich verbesserten Stabilitätsverhalten im Vergleich zu einer Version, bei der nur durch ein Pilot-Senkbremsventil PCB ein Cartridgeventil als Senkbremsventil vorgesteuert wird. Der gemäß 5 in der Hubkolbenhülse 37 eingepasste Hubkolben 38 zusammen mit den beiden O-Ring-Dichtungen 39, 40 für den Stößel 34 und für den Hubkolben 38 sowie den O-Ring/Stützring-Dichtungen für die Hubkolbenhülse 37 ergeben einen funktionsfähigen auswechselbaren Einsatz. Es können damit nach Abbau des Ventilblockdeckels 26 Hubkolben-Einsätze mit unterschiedlichen hydraulischen Hubkolben-Steuerflächen 41 zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses für die direkte Senkbremsfunktion zur optimalen Anpassung bei unterschiedlichen Lastkraftverhältnissen zur Verminderung des Antriebsdruckes zum Einsatz kommen.
Die Hubkolbenfunktion dient auch zur Kompensation oder Aufhebung der Tellerfeder-Schließkraft für die elektrohydraulische Proportionaldrosselventilfunktion. Die zusätzliche Proportionaldrosselfunktion an den Tankventileinheiten C2, C4 vom Zylinder 6 zum Tankrücklauf T ermöglicht eine Steuerung der Absenkbewegung durch Eigengewicht ohne Pumpenzufluss für den Zylinderrückzug (Floating), eine Begrenzung der maximalen Zylindergeschwindigkeit bei verzögertem Ansprechen der Senkbremsventilfunktion und/oder bei extremen Zylinderlastverhältnissen und bildet die Voraussetzung für eine proportional gesteuerte Abfluss-Drosselfunktion bei Lastzyklen mit auftretenden Stabilitätsproblemen während der Senkbremsfunktion.
Die Absenkbewegung der Zylinder soll im Normalfall durch die auf den Zylinder wirkende Gewichtskraft als negativer Lastkraft in Bewegungsrichtung erfolgen. Durch Ansteuerung der Pilot-Wegeventile PVC1 und PVC3 werden die beiden Pumpenventileinheit C1 und C3 geöffnet, wie in 8 und 9 gezeigt, wodurch die Zylinderräume ZA und ZB, mithin Kolbenseite und Stangenseite des Zylinders 6, hydraulisch verbunden werden. Wird gleichzeitig Tankventileinheit C4 gedrosselt geöffnet, fließt entsprechend dem Flächenverhältnis des Zylinders 6 eine Teilmenge des von der Kolbenfläche verdrängten Durchflusses von ZA über die jetzt in Serie angeordneten Pumpenventileinheit C1 und C3 zur Auffüllung des vom Zylinderraum ZB nachgesaugten Ölvolumens. Der verbleibende überschüssig verdrängte Restfluss QT fließt über C4 gedrosselt zum Tank bzw. Tankanschluss T ab, wobei der eingestellte Drossel-Öffnungsquerschnitt von C4 die Absenkgeschwindigkeit des Zylinder 6 bestimmt. Ein Rückfluss zur Pumpe 16 wird durch ein Rückschlagventil 14 im Pumpenzulauf verhindert. Da die Gewichtskraft nach der Kurzschluss-Verbindung der Zylinderräume ZA, ZB direkt auf die Kolbenstangenfläche wirkt, wird durch den entstehenden höheren Druck durch Druckbeaufschlagung des Hubkolbens 38 über die Steuerleitung XA dieser das Tellerfederpaket 36 anheben und die Schließkraft auf den Ventilkegel 28 ganz aufheben oder mindestens zum Großteil kompensieren.
9 zeigt den Mobil-Ventilblock 5 in Funktion für Absenken in Umlaufsteuerung (Floating) mit geöffneten Pumpenventileinheit C1, C3 für den Umlauf und mit Tankventileinheit C4 in Funktion als Drosselventil. Die proportional gesteuerte Drosselventilfunktion zur Erzeugung der Umlaufsteuerung wird nur durch entsprechend angepasste Signalansteuerung mit den vorhandenen Cartridgeventileinheiten C1, C3 und C4 ausgeführt wird.
10 zeigt den Mobil-Ventilblock 5 mit geänderter elektrischer Signalansteuerung für eine proportional gesteuerte Abfluss-Drosselfunktion oder Begrenzung der maximalen Zylindergeschwindigkeit beim Ausfahren unter positiver Kraftbelastung F. Durch Ansteuerung des Pilot-Wegeventils PVC1 wird die Pumpenventileinheit C1 geöffnet. Durch den hohen Antriebsdruck im Zylinderraum ZA hebt der über die Steuerleitung XA zurückgeführte Druck wieder den Hubkolben 38 und den Tellerfederstapel 36 an. Durch Schalten des Pilotventils PV1 über Magnet S1 und durch Schalten des Pilotventils PV2 über Magnet S3 wird die Drosselfunktion an Tankventileinheit C4 nach 8 beziehungsweise 10 eingeschaltet. Damit ergibt sich eine Mobil-Steuerung mit Regelung der Zylindergeschwindigkeit mit Drosselventil-Funktion.
Der zu einem vorgegebenen elektrischen Signal proportionale Öffnungshub des Ventilkegels 28 kann mit verschiedenen elektrohydraulischen Positioniersystemen erzeugt werden. Für den Einsatz in mobilen Hydraulikbaggern, mit denen unter rauen Umwelteinflüssen gearbeitet werden müssen, werden einfache, robuste Systeme ohne am Ventil installierte Elektronik für interne Rückführungen bevorzugt und zwei vorteilhafte Positioniersysteme werden nun unter Bezugnahme auf die 11 und 12 für ein Stellkolbensystem sowie 13 für ein System mit Linearmotor beschrieben.
Im Ventilblockdeckel 26 nach 11 ist oberhalb des Tellerfeder Einbauraumes 43 ein besonderes auf die vorliegenden Verhältnisse zugeschnittenes proportionalhydraulisches Stellkolbensystem mit interner Lageregelung durch Kraftabgleich eingebaut. Nach Betätigung von Pilot-Wegeventil PV2 über Magnet S3 nach 8 bzw. 11 wird der Steuerölraum 32 des Ventilkegels 28 druckentlastet. Damit werden alle Druckregelfunktionen im Vorsteuerkreis weggeschaltet. Gleich zeitig wird nach Betätigung von Pilot-Wegeventil PV1 über Magnet S1 das vorher drucklose Stellkolbensystem durch eine separate Steueröldruckversorgung PP oder durch Druckabgriff des höchsten Druckes von den Zylinderräumen über Rückschlagventile (nicht gezeigt) mit Druck beaufschlagt. Dieser Schaltzustand im hydraulischen Vorsteuerkreislauf ist in 8 und 11 zur besseren Anschauung unter Fortfall aller nicht beteiligten Ventilkomponenten dargestellt. 12 zeigt getrennt den Aufbau des Stellkolbensystems. Der auf seiner Sitzfläche 33 druckbeaufschlagte Ventilkegel 28 wird über den Stößel 34 gegen den ebenfalls über die Stellkolben-Druckfläche 53 in Schließrichtung druckbeaufschlagten Stellkolben 47 kraftschlüssig eingespannt. Da die Stellkolben Druckfläche 53 größer, insbesondere um etwa den Faktor 1,2–2 größer ist als die Sitzfläche 33 des Ventilkegels 28, wird der aus Stellkolben 47, Stößel 34 und Ventilkegel 28 gebildete Kolbenverbund wie ein Differentialkolben in Schließstellung gegen den Cartridge-Hülsensitz gedrückt. Bei entsprechender Regelung des Druckes auf die Stellkolben-Druckfläche 53 über einen Steuerventilkolben 48 kann dieser Kolbenverbund in Öffnungs- und Schließrichtung verfahren werden. Bei Ansteuerung eines zugeordneten Proportionalmagneten 44 wird eine magnetische Stellkraft in Ausfahrrichtung des Magneten, die dem elektrischen Magnet-Ansteuerstrom proportional ist, erzeugt. Die magnetische Stellkraft betätigt den Steuerventilkolben 48 gegen die Rückführfeder 49 in Öffnungsrichtung zur Tankverbindung. Durch den entstehenden Druckabbau auf die Stellkolben-Druckfläche 53 überwiegt die öffnende Druckkraft auf die Sitzfläche 33 des Ventilkegels 28 und der Kolbenverbund Ventilkegel-Stellkolben verfährt solange in Öffnungsrichtung, bis die Rückführfeder 49 im Kraftvergleich die vorgegebene Proportionalmagnetkraft erreicht. Durch Rückstellung des Steuerventilkolbens 48 wird der Stellkolben 47 in diesem angefahrenen Öffnungshub positioniert. Bei dieser Hubregelung mit Federrückführung und Kraftabgleich im geschlossenen Regelkreis ist der sich einstellende Öffnungshub am Ventilkegel 28 somit der Magnetkraft und dem elektrischen Stromeingangssignal proportional. Bei Verminderung des Ansteuersignals überwiegt die Rückführfederkraft der Rückführfeder 49, weswegen der Steuerventilkolben 48 die Druckverbindung öffnet und der Kolbenver bund Ventilkegel-Stellkolben durch Druckaufbau in Schließrichtung bis zu der durch die Magnetkraft vorgegebenen Sollposition verfährt
Alternativ kann das elektrische Stellsignal für die Proportionaldrosselfunktion mit einem elektrischen Schrittmotor oder Servomotor über eine Gewindespindel in einen linearen Stellweg umgeformt und hiermit ein mechanisch-hydraulisches Folgekolbensystem zur Kraftverstärkung angesteuert werden. Der Aufbau dieses Folgekolbensystem ist aus 13 ersichtlich. Im Ventilblockdeckel 26 ist oberhalb des Tellerfeder-Einbauraumes 43 ein besonderes auf die vorliegenden Verhältnisse zugeschnittenes servohydraulisches Folgekolbensystem eingebaut. Nach Betätigung von Pilot-Wegeventil PV2 über Magnet S3 nach 13 wird der Steuerölraum 32 des Ventilkegels 28 druckentlastet und damit alle Druckregelfunktionen im Vorsteuerkreis weggeschaltet. Gleichzeitig wird nach Betätigung von Pilot-Wegeventil PV1 über Magnet S1 das vorher drucklose Folgekolbensystem durch eine separate Steueröldruckversorgung PP oder durch Druckabgriff des höchsten Druckes von den Zylinderanschlüssen über Rückschlagventile (nicht gezeigt) mit Druck beaufschlagt. Dieser Schaltzustand im hydraulischen Vorsteuerkreislauf ist in 13 zur besseren Anschauung unter Fortfall aller nicht beteiligten Ventilkomponenten dargestellt. Der auf seiner Sitzfläche 33 druckbeaufschlagte Ventilkegel wird über den Stößel 34 gegen den ebenfalls über die Folgekolben-Druckfläche 66 in Schließrichtung druckbeaufschlagten Folgekolben 63 kraftschlüssig eingespannt. Da die Folgekolben Druckfläche 66 wiederum größer, z. B. um etwa den Faktor 1,2–2 größer, ist als die Sitzfläche 33 des Ventilkegel 28, wird der aus Folgekolben 63, Stößel 34 und Ventilkegel 28 gebildete Kolbenverbund wie ein Differentialkolben in Schließstellung gegen den Cartridge-Hülsensitz gedrückt. Bei entsprechender Regelung des Druckes auf die Folgekolben-Druckfläche 66 über einen Steuerkolben 62 kann dieser Kolbenverbund in Öffnungs- und Schließrichtung verfahren werden. Der Steuerkolben 62 ist als 3-Wegeventil mit 2 Steuerkanten 67 zentral im Folgekolben 63 eingepasst. Von einer Eindrehung in der Folgekolbenhülse 64 fließt das Drucköl über Querbohrungen in einen an der Außenkontur des Folgekolbens 63 eingedrehten Ringkanal 68, weswegen bei Verfahren des Folgekolbens 63 die Druckölverbindung besteht. Von hier fließt das Druck öl über seitliche Querbohrungen im Folgekolben 62 in die Eindrehung 69 des Steuerkolbens 62. Der Folgekolben-Steuerraum 72 kann durch Verschieben des Steuerkolbens 62 und Öffnen einer der beiden Kolben-Steuerkanten 67 gegenüber der Steuerkantenbohrung 70 des Folgekolbens 63 wechselseitig mit dem Pumpenanschluss P oder dem Tankanschluss T verbunden werden. Beim Verschieben des Steuerkolbens 62 in Öffnungsrichtung wird der Folgekolben-Steuerraum 72 zunächst drucklos zum Tank entlastet. Der ständig über seine Sitzfläche 33 druckbeaufschlagte Ventilkegel 28 verschiebt den Kolbenverbund mit Folgekolben 63 solange in Öffnungsrichtung, bis sich die Druck-Steuerkante am Steuerkolben 62 öffnet. Es baut sich ein entsprechender Gegendruck im Folgekolben-Steuerraum 72 auf, bis sich ein Druckkräfte-Gleichgewicht zwischen Ventilkegel 28 und Folgekolben 63 eingestellt hat. Durch Verschieben des Steuerventils mit dem Linearmotor 60 kann in dieser Folgesteuerung der Ventilkegel 28 hydraulisch kraftverstärkt proportional in die vorgegebene Drosselöffnung positioniert werden. Der Steuerkolben 62 wird abgedichtet durch eine Glydring-Dichtung im Abschlussdeckel 65 aus dem Hydrauliksystem nach außen geführt und dort über eine Kupplung 61 mit einem Linearmotor 60 verbunden, über den die elektrische Positionseinstellung erfolgt. Die Positionierung der Drosselventil-Öffnung kann stetig proportional zu einem von dem Bedienpersonal über einen Handhebel vorgegebenen Sollwert erfolgen. Bei ständig sich wiederholenden Arbeitszyklen mit konstantem Drosselöffnungswert kann dieser am Linearmotor und Steuerventil fest vorgegeben werden. Beim Schalten des Pilot-Wegeventil PV1 und Druckaufbau am Folgekolben 63 läuft dieser automatisch in die vom Steuerkolben 62 vorgegebene Position ein.
Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Die Figuren zeigen nur vorteilhafte Ausführungsbeispiele, ohne den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche zu begrenzen. Bei Hydraulikbaggern und anderen hydraulischen Arbeitsmaschinen müssen meist mehrere Arbeitszylinder teils simultan, teils hintereinander bedient werden, weswegen eine Hydraulikschaltvorrichtung meist mehrere Ventilblöcke mit obigem Aufbau aufweist.

Claims

Hydraulikschaltvorrichtung für die Mobilhydraulik von mobilen Hydraulikmaschinen, insbesondere von Hydraulikbaggern, mit einem Ventilblock (5), mit im Ventilblock (5) angeordneten elektrohydraulisch ansteuerbaren Ventileinheiten zur Steuerung der Bewegung eines Arbeitszylindern mit zwei entgegengesetzt wirkenden, jeweils über einen Zylinderanschlüsse (A, B) am Ventilblock (5) anschließbaren Zylinderräumen, wobei die Zylinderanschlüsse wahlweise mit einem Pumpenanschluss (P) für Hydraulikfluid, mit einem Tankanschluss (T) oder miteinander verbindbar sind, und mit Vorsteuerventilen für die elektrohydraulische Ansteuerung der Ventileinheiten, wobei mit der Hydraulikschaltvorrichtung (10) eine Wegeventilfunktion für die Richtung der Bewegung und eine Senkbremsfunktion für den Bewegungsablauf der Bewegung des zugeordneten Arbeitszylinders steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass für den Arbeitszylinder vier Kegelsitz-Ventileinheiten (C1, C2, C3, C4) mit jeweils einem federbelasteten Ventilkegel im Ventilblock (5) vorgesehen sind, von denen die erste eine Pumpenventileinheit (C1) zwischen dem ersten Zylinderraumanschluss (A) und dem Pumpenanschluss (P), die zweite eine Tankventileinheit (C2) zwischen dem ersten Zylinderraumanschluss (A) und dem Tankanschluss (T), die dritte eine Pumpenventileinheit (C3) zwischen dem zweiten Zylinderraumanschluss (B) und dem Pumpenanschluss (P) und die vierte eine Tankventileinheit (C4) zwischen dem zweiten Zylinderraumanschluss (B) und dem Tankanschluss (T) bildet, wobei mit den Tankventileinheiten (C2, C4) über ein zugeordnetes, mehrere Vorsteuerventile umfassendes Vorsteuerventilsystem (7) druckabhängig in Abhängigkeit vom Druck in den Zylinderraumanschlüssen (A, B) eine Druckbegrenzungsfunktion und die Senkbremsfunktion für beide Bewegungsrichtungen bewirkbar ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkegel (28) der Tankventileinheiten (C2; C4) eine mit dem Druck (pZA) im zugehörigen Zylinderanschluss (A; B) direkt beaufschlagte Sitzfläche (33) und eine mit demselben Druck indirekt unter Zwischenschaltung eines Druckbegrenzungsventils (PR) im Vorsteuerventilsystem (7) beaufschlagte Steuerfläche (31) aufweisen.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuerleitung (X, XA, XB) zwischen dem Zylinderanschluss (A, B) und dem Druckbegrenzungsventil (PR) eine Düse (NX, NX1, NX2) und/oder dass in einer Steuerleitung zwischen dem Druckbegrenzungsventil (PR) und einem Steuerraum (32) zur Druckbeaufschlagung der Steuerfläche (31) eine Düse (NC) angeordnet ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (28) der Tankventileinheit zusätzlich zu einer Ventilfeder (29) mit der Federkraft eines Tellerfederpakets (36) in Richtung Ventilsitz beaufschlagt ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (28) als Hohlbuchse mit einem der Sitzfläche (31) gegenüberliegenden Hohlraum ausgebildet ist, wobei die Ventilfeder (29) und ein Stößel (34) jeweils mit einem Ende am Boden des Hohlraums am Ventilkegel (28) anliegen und das andere Ende des Stößels (34) mit der Federkraft des Tellerfederpakets (36) beaufschlagt ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tellerfederpaket (36) und dem Ventilkegel (28) eine Hubkolbenhülse (37) mit Hubkolben (38) angeordnet ist, wobei die dem Tellerfederpaket (36) abgewandt liegende des Hubkolbens (38) eine Hubkolbensteuerseite (41) bildet und über eine Steuerleitung (Z2) mit dem Hydraulikdruck (pZB) des jeweils anderen Zylinderraumanschlusses (B; A) beaufschlagbar oder beaufschlagt ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (38) am Stößel (34) ver schieblich geführt und relativ zum Stößel (34) in Axialrichtung beweglich ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilvorsteuersystem ein direkt gesteuertes Pilot-Senkbremsventil (PCB) mit einem Ventilkegelschieber angeordnet ist, der eine Öffnungsdruckfläche (20) hat, die über ein vorzugsweise elektrisch ansteuerbares Pilotventil (PV2) mit dem Druck der mit dem zugeordneten Zylinderraumanschluss (A) verbundenen Steuerleitung (X) beaufschlagbar ist, und der eine Druckaufsteuerfläche (21) hat, die über eine Druckrückführungsleitung (XB) mit dem Druck im anderen Zylinderraum (ZB) zur Bewirkung einer zusätzlichen Druckentlastung an der Steuerdruckfläche des Ventilkegels (28) beaufschlagt ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (38) in einem auswechselbaren Einsatz eingebaut ist, der als Baueinheit komplett funktionsfähig nach Demontage eines Ventilblockdeckels austauschbar und/oder durch Hubkolben mit unterschiedlichen hydraulischen Wirkflächen zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses für die direkte Senkbremsfunktion zur Änderung des Antriebsdruckes ersetzbar ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Proportionaldrosselventilfunktion der Tankventileinheit (C2; C4) den beiden Pumpenventileinheit (C1, C3) weitere Pilot-Wegeventile (PVC1, PVC3) zum Öffnen der Pumpenventileinheiten (C1, C3) und hydraulischem Verbinden der Zylinderraumanschlüsse (A, B) oder Zylinderräume (ZA, ZB) im Vorsteuerventilsystem zugeordnet sind, und dass die Tankventileinheiten (C4; C2) mit einstellbarem Drossel-Öffnungsquerschnitt öffenbar sind, wobei vorzugsweise im Pumpenanschlusszulauf ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Tankventileinheit (C2; C4) ein Stellkolbensystem mit interner Lageregelung durch Kraftabgleich zugeordnet ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellkolbensystem in einem sich an den Einbauraum für das Tellerfederpaket anschließenden Abschnitt angeordnet ist und einen druckbeaufschlagten Stellkolben (47) aufweist, der in Schließrichtung des Ventilkegels (28) vorgespannt am Stößel (34) anliegt.
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (47) eine Druckfläche (53) aufweist, die größer, vorzugsweise etwa 1,1 bis 2,2-fach größer ist als die Sitzfläche des Ventilkolbens (28).
Hydraulikschaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung des Stellkolbens (47) mittels eines Proportionalmagneten (44), eines Steuerkolbens (48) und einer Rückführfeder (49) verstellbar ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellkolbensystem ein Steuerventil (PV1) mit wechselseitiger Pumpenanschluss- oder Tankanschlussverbindung (P, T) zugeordnet ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Tankventileinheiten (C2, C4) zur Steuerung des Drossel-Öffnungsquerschnitts jeweils ein elektrischer Schrittmotor, insbesondere ein Linearmotor (60), und ein Folgekolbensystem mit Steuerkolben ((62) und Folgekolben (63) zugeordnet ist.
Hydraulikschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pilotsteuerventile und Pilotwegeventile des Vorsteuerventilsystems und/oder der gesamte Pi lotsteuerkreislauf in einem Ventilgehäusedeckel (26) angeordnet sind, der lösbar mit dem Ventilblock verbindbar ist.
Hydraulikmaschine, insbesondere Hydraulikbagger, mit wenigstens einem Hydraulikzylinder als Arbeitszylinder zur Verstellung wenigstens eines mit einem Arbeitsgerät wie Löffel, Schaufel od. dgl. verbundenen Arms, mit einer Pumpenaggregat zur Erzeugung eines Hydraulikölstroms, mit einer einen Ventilblock aufweisenden Hydraulikschaltvorrichtung als Mobilhydraulik für die Hydraulikmaschine, mit im Ventilblock angeordneten elektrohydraulisch ansteuerbaren Ventileinheiten zur Steuerung der Bewegung des Arbeitszylindern und mit Vorsteuerventilen in der Hydraulikschaltvorrichtung für die elektrohydraulische Ansteuerung der Ventileinheiten, wobei mit der Hydraulikschaltvorrichtung eine Wegeventilfunktion für die Richtung der Bewegung und eine Senkbremsfunktion für den Bewegungsablauf der Bewegung des zugeordneten Arbeitszylinders steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikschaltvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist.
Hydraulikmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Arbeitsbewegung des Arbeitszylinders durch Regelung des Pumpenförderstroms eines Pumpenaggregats (16) gesteuert ist, wobei das Pumpenaggregat Verstellpumpen umfasst, bei denen durch elektrohydraulische Verstellung des Schwenkwinkels der Förderstrom und somit die Geschwindigkeit des Arbeitszylinder steuerbar ist, oder wobei das Pumpenaggregat eine Konstantpumpe aufweist, deren Drehzahl durch Drehzahlregelung mit Frequenzumformern regulierbar ist.
Hydraulikmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Pumpenaggregaten maximal erzeugbare Pumpenförderstrommenge größer ist als 1000 L/min, insbesondere größer ist als 5000 L/min.
Ventileinheit insbesondere für eine Hydraulikschaltvorrichtung für mobile Hydraulikmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (C2, C4) als in eine Bohrung im Ventilblock (5) einsetzbares Kegelsitzventil in Cartridge-Bauweise mit Ventilhülse, Ventilkegel (28) und Ventilfeder (29) ausgebildet ist, wobei der Ventilkegel (28) als Hohlbuchse mit einem einer Sitzfläche (31) gegenüberliegenden Hohlraum als Anlagefläche für die Ventilfeder (29) und einen mit der Federkraft eines Tellerfederpakets (36) beaufschlagten oder beaufschlagbaren Stößel (34) ausgebildet ist.
Ventileinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Tellerfederpaket (36) und der Stößel (34) zusammen mit einem Hubkolben (38) in einer Hubkolbenhülse (37) angeordnet sind, wobei der Hubkolben (38) am Stößel (34) verschieblich geführt und relativ zum Stößel (34) in Axialrichtung beweglich ist und die dem Tellerfederpaket (36) abgewandt liegende Seite des Hubkolbens (38) eine Hubkolbensteuerseite (41) bildet.
Ventileinheit nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilkegel (28) und dem Hubkolben (38) ein elektrohydraulisches Positioniersystem mit Stellkolben (47) und Proportionalmagnet (44) oder mit Linearamotor (60), Folgekolben (63) und Steuerkolben (62) zugeordnet ist.