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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf vorgesteuerte Hydraulikventile
und im Speziellen auf elektrisch betätigte Vorsteuerventile.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Viele
Maschinenarten sind mit beweglichen Bauteilen ausgestattet, die
durch einen Hydraulikantrieb, wie beispielsweise eine Zylinder-
und Kolbenanordnung, betätigt werden, der durch ein Hydraulikventil
gesteuert wird. Das Hydraulikventil wurde herkömmlicherweise
durch den Maschinenführer von Hand betätigt. Die
derzeitige Entwicklung geht jedoch weg von handbetätigten
Hydraulikventilen hin zu elektrischen Steuerungen und zur Verwendung von
Solenoidventilen.
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Der
Einsatz von druckbeaufschlagter Hydraulikflüssigkeit von
einer Pumpe zum Antrieb ist durch eine Reihe von vorgesteuerten
Proportional-Regelventilen regelbar, die in einer Wheatstone-Brücke
angeordnet sind, so dass ein Flüssigkeitsstrom hinein in
den und heraus aus dem Hydraulikzylinder, wie im
US Patent Nr. 6,149,124 erläutert, messbar
ist. Jedes Regelventil weist ein Stellglied auf, das gegen einen
Ventilsitz zur Anlage gebracht oder von diesem abgehoben werden
kann, so dass der Flüssigkeitsstrom zwischen dem Einlass
und dem Auslass des Ventils geregelt werden kann. Auf der dem Ventilsitz
abgewandten Seite des Stellglieds ist eine Steuerkammer ausgebildet
und zwischen dem Einlass und der Steuerkammer ist ein Steuerkanal
vorgesehen. Der an dem Einlass anstehende höhere Druck,
mit dem die Steuerkammer beaufschlagt wird, hält das Stellglied
aufgrund des an dem Auslass anstehenden niedrigeren Drucks gegen
den Ventilsitz angedrückt. Ein integriertes, solenoidbetätigtes Vorsteuerventil
wird angesteuert, wenn das Regelventil durch Abheben des Stellglieds
vom Ventilsitz geöffnet werden soll. Durch die Vorsteuerventilansteuerung
wird ein Vorsteuerkanal geöffnet, so dass der in der Steuerkammer
anstehende Druck in den Auslass abgelassen wird, wodurch das Stellglied vom
Ventilsitz abgehoben werden kann. Durch Schließen des Vorsteuerventils
und mithin des Vorsteuerkanals wird der in der Steuerkammer anstehende
Druck erhöht, wodurch das Stellglied zur schließenden
Anlage gegen den Ventilsitz gebracht wird.
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Demzufolge
kann durch die relativ geringe Kraft, die durch den Solenoid auf
das Vorsteuerventil ausgeübt wird, ein Stellglied betätigt
werden, auf das aufgrund des Drucks von der Versorgungspumpe oder
dem Hydraulikantrieb eine wesentlich höhere Kraft ausgeübt
wird.
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Die
Funktionsweise dieser Art von Elektrohydraulikventil hängt
von dem Verhältnis zwischen Solenoidkraft und Steuerkammerstrom
ab. Während ein kleinerer Steuerkammerstrom zur Positionierung
eines im Wesentlichen größeren Stellglieds noch
immer hinreichend ist, kommt es mit zunehmender Stellgliedgröße
zum rapide zunehmenden Abfall der Stellgliedgeschwindigkeit. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die Hubkraft des Stellglieds
mit steigender Hubkraft des Solenoids zunehmend niedriger wird.
Es ist wünschenswert, dass der Solenoid sowohl eine hohe
Wirkungskraft als auch eine hohe Hubkraft bereitstellt (so dass
große Stellgliedhubkräfte erzielt werden können),
wobei dadurch die Skalierbarkeit dieser Elektrohydraulikventilart
aufgrund des Solenoidmechanismus erheblich eingeschränkt
wird.
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Eine
Lösung, die zur Erzielung einer hohen Durchflussmenge und
schnellen Reaktionszeit versuchsweise herangezogen wurde, bestand
in der Anordnung einer großen verstellbaren und zur Stellgliedhubkraft
proportionalen Öffnung in dem Steuerkanal zwischen dem
Einlass und der Steuerkammer. Das Vorsteuerventil bewirkte den Ablass
des Steuerkammerdrucks in den Niederdruckauslasskanal entweder über
ein Vorsteuerentlastungs- oder ein Schieberventil. Diese Ventilausführung
war relativ reaktionsschnell und proportional, wobei aber infolge
der hohen Durchflussmengen in der Steuerkammer aufgrund der relativ
großen Steuerkanalöffnung zusätzliche
Druckausgleichseinrichtungen erforderlich waren, um das Ventil vergrößern
zu können. Zudem führte die Vergrößerung
der Steueröffnung zu einem unlinearen Verhältnis
zwischen Flüssigkeitsdruck und Strömung und dem
an den Solenoid angelegten elektrischen Strom, wobei sich dieses
unlineare Verhältnis nachteilig auf die akkurate Regelung
auswirkte.
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Aus
diesem Grund besteht noch immer Bedarf an einem elektrohydraulischen
Vorsteuerventil, das in großen Hydraulikantrieben vorkommende hohe
Durchflussmengen schnell regeln kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Regelventil umfasst einen Körper mit einer ersten Bohrung,
in die ein erster und ein zweiter Kanal einmünden, einen
Ventilsitz, der zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal angeordnet
ist, und einen Auslasskanal, der mit dem ersten Kanal zusammenwirkt.
In der ersten Bohrung ist ein Hauptstellglied beweglich aufgenommen,
so dass es wahlweise gegen den Ventilsitz zur Anlage gebracht oder
von diesem abgehoben werden kann, und das in der ersten Bohrung
auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite des Hauptstellglieds eine
Hauptsteuerkammer definiert. Zwischen dem zweiten Kanal und der
Hauptsteuerkammer erstreckt sich ein Durchgang, der eine veränderbare
Strömungsbegrenzung aufweist, die sich beim Abheben des
Stellglieds vom Ventilsitz zunehmend aufweitet.
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Ein
elektrohydraulisches Vorsteuerventil regelt den Flüssigkeitsstrom
zwischen der Hauptsteuerkammer und dem Auslasskanal und weist einen Einlass,
der mit der Hauptsteuerkammer verbunden ist, und einen Auslass auf,
der mit dem Auslasskanal verbunden ist. Das elektrohydraulische
Vorsteuerventil umfasst ein Vorsteuerstellglied, das den Flüssigkeitsstrom
von dem Einlass zu dem Auslass in Abhängigkeit von dem
in einer Vorsteuerkammer anstehenden Druck regelt. Ein elektrisch
betätigtes Nebenvorsteuerventil wird wahlweise geöffnet,
so dass ein Abfall des Vorsteuerkammerdrucks hervorgerufen wird,
wodurch das Vorsteuerstellglied einen Durchgang zwischen dem Einlass
und dem Auslass öffnet.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des elektrohydraulischen Vorsteuerventils erstreckt
sich in dem Vorsteuerstellglied zwischen der Vorteuerkammer und dem
Auslass ein Vorsteuerkanal; und das Nebenvorsteuerventil umfasst
einen Solenoidaktuator und ein Vorsteuerelement, das derart betätigbar
verbunden ist, dass es durch den Solenoidaktuator bewegbar ist, wodurch
der Vorsteuerkanal wahlweise geöffnet und geschlossen werden
kann.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das
Vorsteuerelement eine Öffnung des Vorsteuerkanals, die
in die Vorsteuerkammer einmündet, wahlweise Öffnen
und Schließen kann. Eine Druckausgleichseinrichtung ist
vorgesehen, um die Position der Öffnung bezüglich
des Vorsteuerstellglieds in Abhängigkeit von der Druckdifferenz
zwischen der Vorsteuerkammer und dem Auslass zu verändern.
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Gemäß der
Zweiwege-Ausführungsform des Regelventils stellt ein erstes
Einlassrückschlagventil einen Durchlass bereit, durch den
die Flüssigkeit nur von dem ersten Kanal in den ersten
Durchgang strömen kann, und es ist ein zweites Einlassrückschlagventil
vorgesehen, durch das die Flüssigkeit nur von dem zweiten
Kanal in den ersten Durchgang strömen kann. Zudem sind
ein erstes Auslassrückschlagventil durch das die Flüssigkeit
nur von dem Auslasskanal in den ersten Kanal strömen kann,
und ein zweites Auslassrückschlagventil vorgesehen, das
einen Durchlass bereitstellt, durch den die Flüssigkeit
nur von dem Auslasskanal in den zweiten Kanal strömen kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Regelventils ist ein Freiflussmodus
vorgesehen. Wenn die Druckdifferenz entlang des Ventils nur eine Polarität
aufweist, kann die Strömung durch das Ventil proportional
geregelt werden. Das Ventil öffnet sich automatisch, wenn
die Druckdifferenz die entgegengesetzte Polarität von zumindest
einer vorgegebenen Größe aufweist, wodurch der
Flüssigkeitsfreifluss ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Regelventils ist ein Strömungskontrollmodus
vorgesehen. Dieses Ventil kann wahlweise geöffnet werden,
wenn die Druckdifferenz eine Polarität aufweist, und kann
nicht geöffnet werden, wenn die Druckdifferenz die dazu
entgegengesetzte Polarität aufweist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittdarstellung eines hydraulischen Zweiwege-Regelventils
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittdarstellung eines elektrohydraulischen Vorsteuersitzventils,
das in der Hydraulikventilanordnung eingesetzt wird;
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3 ist
eine Querschnittdarstellung eines hydraulischen Einweg-Regelventils
mit Freiflussmodus; und
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4 ist
eine Querschnittdarstellung eines hydraulischen Einweg-Regelventils
mit Strömungskontrollmodus.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Unter
anfänglicher Bezugnahme auf 1 weist
ein Mehrwege-Regelventil 100 einen Körper 100 mit
einem ersten Kanal 104 und einer zweiten Kanal 106 auf,
die in eine erste Bohrung 107 einmünden. Ein Ventilsitz 108 ist
zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal 104 und 106 angeordnet.
Ein Hauptstellglied 110 ist in dem Körper 102 verschieblich
aufgenommen und kann wahlweise gegen den Ventilsitz 108 zur
Anlage gebracht werden, so dass der Flüssigkeitsdurchlass
zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal 104 und 106 geschlossen
werden kann. Das Hauptstellglied 110 kann zum Öffnen
eines Strömungsdurchlasses zwischen dem ersten und dem
zweiten Kanal 104 und 106 vom Ventilsitz 108 weggeschoben
werden. Die Bewegung des Hauptstellglieds wird, wie nachstehend
im Detail erläutert werden soll, durch die Hauptfeder 115 und durch
das Druckverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten
Kanal 104 und 106 und einer Hauptsteuerkammer 112,
die auf der dem Ventilsitz 108 abgewandten Seite des Hauptstellglieds 110 angeordnet
ist, bestimmt.
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Das
Hauptstellglied 110 weist einen Durchgang 114 mit
einer ersten Öffnung 116 auf, die in den ersten
Kanal 104 einmündet, und einer zweiten Öffnung 118 auf,
die in den zweiten Kanal 106 einmündet. Ein erstes
Einlassrückschlagventil 120 ermöglicht
ein Durchströmen der Flüssigkeit nur von dem ersten
Kanal 104 in den ersten Durchgang 114, und ein
zweites Einlassrückschlagventil 122 ermöglicht ein
Durchströmen der Flüssigkeit nur von dem zweiten
Kanal 106 in den ersten Durch gang 114. Der Stellglieddurchgang 114 weist
zudem eine dritte Öffnung 124 in einer Seitenwandung
des Hauptstellglieds 110 auf, die dem Ende gegenüberliegt,
das der Hauptsteuerkammer 112 zugewandt ist. Die dritte Öffnung 124 ist
spitz zulaufend ausgeführt und bildet dabei eine veränderbare Öffnung,
die eine veränderbare Strömungsbegrenzung für
die Flüssigkeit bereitstellt, die von dem Durchgang 114 in
die Hauptsteuerkammer 112 strömt, wenn das Hauptstellglied 110 in
dem Köper verschoben wird. Insbesondere dann, wenn das
Hauptstellglied 110, wie erläutert, gegen den
Ventilsitz 108 angedrückt ist, wird an der dritten Öffnung 124 eine
relativ kleine Öffnung bereitgestellt, die sich aufweitet,
d. h. die die Strömung weniger begrenzt, wenn das Hauptstellglied 110 vom
Ventilsitz 108 abgehoben wird.
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Ein
elektrohydraulisches Vorsteuerventil 130 regelt den Flüssigkeitsstrom
zwischen der Hauptsteuerkammer 112 und dem Auslasskanal 132 in dem
Ventilkörper 102. Insbesondere weist das Vorsteuerventil 130 einen
Einlass 134, der mit der Hauptsteuerkammer 122 in
flüssigkeitsführender Verbindung steht, und einen
Auslass 136 auf, der mit dem Auslasskanal 132 in
flüssigkeitsführender Verbindung steht. Der Auslasskanal 132 weist
einen ersten Auslassdurchgang 138, der in den ersten Kanal 104 einmündet,
und einen zweiten Auslassdurchgang 140 auf, der in den
zweiten Kanal 106 einmündet. Ein erstes Auslassrückschlagventil 142 ermöglicht
ein Durchströmen der Flüssigkeit nur in Richtung von
dem Auslasskanal 132 in den ersten Kanal 104, und
ein zweites Auslassrückschlagventil 144 ermöglicht
ein Durchströmen der Flüssigkeit nur von dem Auslasskanal 132 in
den zweiten Kanal 106.
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Unter
Bezugnahme auf 2 umfasst das elektrohydraulische
Vorsteuerventil 130 eine zylinderförmige Ventilhülse 14,
die in einer Öffnung 11 des Ventilkörpers 12 angeordnet
ist. Die Ventilhülse 14 weist eine erste Längsbohrung 16 mit
einem ventilhülsenseitigen Einlass 134 auf, der
mit der Hauptsteuerkammer 112 zusammenwirkt. Der Auslass 136, der
an einem Ende der Ventilhülse 14 angeordnet ist,
mündet in den Auslasskanal 132 ein. Ein Vorsteuerstellgliedsitz 22 ist
in der ersten Bohrung 16 zwischen dem Einlass und dem Auslass 134 und 136 ausgebildet.
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Ein
Vorsteuerstellglied 24 ist in der ersten Bohrung 16 verschieblich
aufgenommen und kann gegen den Vorsteuerstellgliedsitz 22 zur
Anlage gebracht oder von diesem abgehoben werden, so dass die Hydraulikflüssigkeitsströmung
zwischen dem Einlass und dem Auslass 134 und 136 wahlweise
geregelt werden kann. Zu diesem Zweck weist die Nase 21 des
Vorsteuerstellglieds 24 eine kegelstumpfartig ausgeführte
Oberfläche 23 auf, die im geschlossenen Zustand
des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 gegen den
Vorsteuerstellgliedsitz 22 zur Anlage gebracht wird. Ein
Steuerkanal 25 verbindet den Einlass 134 mit der
Vorsteuerkammer 28 und weist eine darin vorgesehene Öffnung 29 mit
unveränderbarer Größe auf, durch die
der hindurchströmende Flüssigkeitsstrom begrenzt
wird.
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Eine Öffnung 26 ist
mittig durch das Vorsteuerstellglied 24 hindurch geführt
und erstreckt sich von der Vorsteuerkammer 28 zu dem Auslass 136.
Die Strömung durch die Öffnung 26 wird
durch ein elektrisch betätigtes Nebenvorsteuerventil 40 geregelt, das
einen Solenoidaktuator 38 und ein Vorsteuerelement 44 umfasst.
Das Vorsteuerelement 44 steuert vorzugsweise eine Druckausgleichseinrichtung 30 an,
die auf Wirkungen infolge von Veränderungen der Druckdifferenz
entlang des elektrohydraulischen Vorsteuerstellglieds 130 Einfluss
nimmt. Die Druckausgleichseinrichtung 30 umfasst einen
Vorsteuerkolben 31, der in der Öffnung 26 des
Vorsteuerstellglieds 24 verschieblich aufgenommen ist,
wodurch ein Vorsteuerhohlraum 33 ausgebildet wird, der
mit dem Auslass 136 in flüssigkeitsführender
Verbindung steht. Ein Vorsteuerkanal 36 erstreckt sich
durch den Vorsteuerkolben 31 hindurch zwischen der Vorsteuerkammer 28 und
dem Vorsteuerhohlraum 33 und weist an der in die Vorsteuerkammer
einmündenden Öffnung einen Vorsteuersitz 55 auf.
Das Vorsteuerelement 44 kann gegen den Vorsteuersitz 33 zur
Anlage gebracht oder von diesem abgehoben werden, so dass der Vorsteuerkanal
wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, wie nachstehend
erläutert werden soll. Der Vorsteuerkolben 31 weist
an dem der Vorsteuerkammer 28 zugewandten Ende einen verlängerten
Kopf 32 auf, wobei eine den Vorsteuerkolben umgreifende
Belleville-Feder angeordnet ist, die den Kopf 32 in Richtung
weg von dem Vorsteuerstellglied 24 vorspannt. Die gegenüberliegenden
Seiten des Vorsteuerkolbens 31 werden mit dem in der Vorsteuerkammer 28 und
an dem Auslass 136 anstehenden Druck beaufschlagt. Ein
gegenüber dem Auslass 136 höherer Druck
in der Vorsteuerkammer 28 drückt den Vorsteuerkolben 31 weiter
in das Vorsteuerstellglied 24 hinein und drückt
die Belleville-Feder 34 zusammen. Die Bewegung des Vorsteuerkolbens 31 verändert
die momentane Position des Vorsteuersitzes 55 bezüglich
des Vorsteuerstellglieds 24, wodurch Änderungen
bei der Ventilbetätigung infolge von Veränderungen
der Druckdifferenz entlang des Vorsteuerstellglieds kompensiert
werden.
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Die
Bewegung des Vorsteuerstellglieds 24 wird durch einen Aktuator,
wie beispielsweise einen Solenoidaktuator 38, geregelt,
der eine Elektromagnetspule 39 und einen Anker 42 umfasst.
Der Anker 42 ist in der ersten Bohrung 16 durch
die Ventilhülse 14 hindurch geführt und
durch eine Modulationsfeder 45, die eine Kraft ausübt,
die durch eine Justierschraube 41 verändert werden
kann, die in ein freiliegendes Ende der ersten Bohrung 16 eingeschraubt ist,
in Richtung des Vorsteuerstellglieds 24 vorgespannt. Die
Elektromagnetspule 39 ist die Ventilhülse 14 umgreifend
befestigt. Der Anker wird infolge eines Magnetfelds, das durch Anlegen
von elektrischem Strom an die Elektromagnetspule 39 erzeugt
wird, in der ersten Bohrung 16 in Richtung weg von dem
Vorsteuerstellglied 24 geschoben.
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Das
stabförmige Vorsteuerelement 44 ist in einer in
dem rohrförmigen Anker 42 angeordneten zweiten
Bohrung 46 verschieblich aufgenommen. Eine zweite Feder 48 greift
in einen Sprengring 51 ein, der an dem Vorsteuerelement 44 befestigt
ist und der das Vorsteuerelement 44 aus der zweiten Bohrung 46 heraus
vorspannt, so dass im nicht erregten Zustand des Solenoidaktuators 38 eine
konische Spitze 52 des Vorsteuerelements in den Vorsteuerkanal 36 eintaucht.
Die konische Spitze 52 greift in das Vorsteuerstellglied
an dem Ventilsitz 54 ein, der dort ausgebildet ist, wo
der Vorsteuerkanal 36 in die Vorsteuerkammer 28 einmündet.
Ein von dem benachbarten Ende des Ankers 42 abgewandtes
Ende 43 des Vorsteuerelements 44 wird in der zweiten
Bohrung 46 aufgenommen, wenn das elektrohydraulische Vorsteuerventil 130,
wie dargestellt, im geschlossenen Zustand ist. Das abgewandte Ende 43 des
Vorsteuerelements weist eine Öffnung auf, in der ein Zugstift 47 durch
Presspassung eingesetzt ist. Der Zugstift 47 weist einen
Außenkopf auf, der in eine Dichtung 49 eingreift,
die zwischen dem Ende des Ankers 42 und der Modulationsfeder 45 aufgenommen
ist. Zwischen der Dichtung 49 und dem abgewandten Ende
des Vorsteuerelements 44, das ein Hochschieben des Vorsteuerelements
in dem Anker 42 und der Modulationsfeder 45 entgegen
der Kraft der zweiten Feder 48 an dem anderen Ende des
Vorsteuerelements ermöglicht, ist eine Aussparung vorgesehen.
Die Modulationsfeder 45 weist eine wesentlich höhere
Federkonstante auf als die zweite Feder 48, so dass die
auf die Spitze des Vorsteuerelements 44 ausgeübte
Kraft die Schiebewirkung herbeiführt bevor der Anker 42 die
erste Feder zusammendrückt.
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Bei
einigen Anwendungsfällen des Regelventils 100 ist
ein elektrohydraulisches druckkompensiertes Vorsteuerventil 130 nicht
erforderlich. In diesem Fall wird auf den Vorsteuerkolben 31 und
die Belleville-Feder 34 verzichtet und der Vorsteuerkanal 36 ist
anstelle des Ankers 26 direkt in dem Vorsteuerstellglied 24 ausgebildet.
Das Vorsteuerelement 44 greift hierbei gezielt in die unveränderbare Öffnung des
Vorsteuerkanals 36 in dem Vorsteuerstellglied 24 ein.
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 wird durch
die Betätigung des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 der
in der Vorsteuerkammer 112 anstehende Druck und mithin
die Bewegung des Hauptstellglieds 110 geregelt. Insbesondere
wird der in der Vorsteuerkammer 112 anstehende Druck über den
Vorsteuerventileinlass 134 und den Steuerkanal 25 an
die Vorsteuerkammer 28, gezeigt in 2, weitergeleitet.
Im nicht erregten Zustand der Elektromagnetspule 39 drückt
die Modulationsfeder 45 den Anker 42 in Richtung
des Vorsteuerstellglieds 24, während die zweite
Feder 48 das Vorsteuerelement 44 aus dem Anker
heraus ebenfalls in Richtung des Vorsteuerstellglieds drückt.
Diese Doppelwirkung führt dazu, dass die konische Spitze 52 des
Vorsteuerelements den Vorsteuerkanal 36 verschließt
und die flüssigkeitsführende Verbindung zwischen
der Vorsteuerkammer 28 und dem Auslass 136 blockiert. Dies
führt dazu, dass der in der Vorsteuerkammer 28 anstehende
Druck durch den Auslasskanal 132 nicht abgelassen wird,
und dass der eingeschlossene Druck das Vorsteuerstellglied 24 gegen
den Vorsteuerstellgliedsitz 22 andrückt, wodurch
die Strömung zwischen dem Einlass und dem Auslass des elektrohydraulischen
Vorsteuerventils 130 blockiert wird. Der in der Vorsteuerkammer 28 eingeschlossene Druck
hält den Kräften stand, die das Vorsteuerstellglied 24 vom
Vorsteuerstellgliedsitz 22 abheben und somit das elektrohydraulische
Vorsteuerventil 130 öffnen würden.
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Im
geschlossenen Zustand des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 wird
der jeweils höhere Druck, der entweder an dem ersten Kanal 104 oder
an dem zweiten Kanal 106, gezeigt in 1,
ansteht, über das erste Einlassrückschlagventil 120 oder über
das zweite Einlassrückschlagventil 122 in den
Hauptstellglieddurchgang 114 abgelassen und weiter in die
Hauptsteuerkammer 112 geleitet. Da dieser Druck nicht durch
das elektrohydraulische Vorsteuerventil 130 geleitet werden
kann, drückt es das Hauptstellglied 110 gegen
den Hauptventilsitz 108, so dass der Hauptstromdurchlass
zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal 104 und 106 geschlossen
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird durch Anregung des Solenoidaktuators 38 des
elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 die proportionale
Regelung des Hydraulikflüssigkeitsstroms zwischen dem Einlass
und dem Auslass 134 und 136 ermöglicht. Durch
den an die Elektromagnetspule 39 angelegten elektrischen
Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, durch das der Anker 42 nach
oben hinein in den Solenoidaktuator 38 gezogen wird, wodurch
der Zugstift 47 und das Vorsteuerelement 44 nach
oben gezogen werden. Durch diese Bewegung wird das Vorsteuerelement 44 von
dem Vorsteuerstellglied 24 weggezogen, wodurch der Vorsteuerkanal 36 geöffnet
wird, so dass der in der Vorsteuerkammer 28 anstehende Druck
durch den Auslass 136 in den Auslasskanal 132,
gezeigt in 1, abgelassen werden kann. Durch
diesen relativ hohen Druck wird dann entweder das erste oder das
zweite Auslassrückschlagventil 142 oder 144 in
dem Auslasskanal 132 geöffnet, so dass der in
der Vorsteuerkammer 28 anstehende Druck entweder in den
ersten oder in den zweiten Kanal 104 oder 106 mit
dem entsprechend niedrigeren Druck abgelassen werden kann. Die Öffnung 29 mit unveränderbarer
Größe in dem Steuerkanal 25 verhindert
ein schnelles Eintreten der Flüssigkeit von der Hauptsteuerkammer 112 in
die Vorsteuerkammer 28 und baut den darin anstehenden Druck
wieder auf.
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Wenn
die Öffnung zwischen der Vorsteuerkammer 28 und
dem Vorsteuerkanal 36, gezeigt in 2, eine
vorgegebene Größe erreicht, die durch die statischen
Druckbereiche des Vorsteuerstellglieds 24 bestimmt ist,
wird das Vorsteuerstellglied 24 beim Abheben des Vorsteuerelements 44 vom
Vorsteuerstellgliedsitz 22 mitgeführt. Durch diese
Bewegung wird die Spitze 52 des Vorsteuerelements zurück
in den Vorsteuerkanal 36 geführt, wodurch die dort
hindurchströmende Strömung begrenzt wird.
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Wenn
die Vorsteuerkanalströmung gleich der Strömung
durch die Öffnung 29 mit unveränderbarer
Größe des Steuerkanals 25 ist, besteht
ein Gleichgewichtsverhältnis und das Vorsteuerstellglied 24 kommt
zum Stillstand und hält die Offenstellung aufrecht. Die
Größe des an die Elektromagnetspule 39 angelegten
elektrischen Stroms bestimmt den vom Vorsteuerelement 44 eingenommenen
Abstand, und folglich den vom Vorsteuerstellglied 24 gegenüber
dem Vorsteuerstellgliedsitz 22 eingenommenen Abstand. Aus
diesem Grund wird durch die wahlweise Regelung des elektrischen
Stroms der Flüssigkeitsstrom durch das elektrohydraulische
Vorsteuerventil 130 proportional geregelt.
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Druckschwankungen
am Einlass 134 und am Auslass 136 ändern
die Druckdifferenz entlang des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130,
das ohne die Druckausgleichseinrichtung 30 die Größe des
elektrischen Stroms verändern könnte, der zum gewünschten
Betrieb des Ventils erforderlich ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 werden
die aufgrund der Veränderungen der Druckdifferenz auf die
Betätigung des Vorsteuerstellglieds 24 Einfluss nehmenden
Wirkungen durch die Bewegung des in dem Vorsteuerkolben ausgebildeten
Vorsteuersitzes 55 kompensiert. Durch die Belleville-Feder 34 wird die
Bewegung des Vorsteuersitzes 55 bezüglich des Vorsteuerstellglieds 24 in
Abhängigkeit von Veränderungen der Druckdifferenz
entlang des Stellglieds ermöglicht. Durch diese Bewegung
wird die Axialposition des Vorsteuersitzes 54 wirksam geändert,
so dass die infolge der Druckdifferenzveränderungen auf
das elektrohydraulische Vorsteuerventil Einfluss nehmenden Wirkungen 130 kompensiert
werden. Durch diese Vorgänge wird das hydraulische Ungleichgewicht
in dem Vorsteuerelement 44, und folglich zwischen Modulationsfederkraft
und Aktuatorkraft, kompensiert.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist bei geschlossenem elektrohydraulischen
Vorsteuerventil 130 der in der Hauptsteuerkammer 112 anstehende Druck gleich
dem entweder in dem ersten oder in dem zweiten Kanal 104 oder 106 anstehende
höhere Druck. Zu diesem Zeitpunkt wird durch den höheren Druck
das entsprechende erste oder zweite Einlassrückschlagventil 130 oder 122 geöffnet,
wodurch der Druck durch den Durchgang 114 in das Hauptstellglied 110 hinein
in die Hauptsteuerkammer 112 geleitet werden kann. Das
andere entweder erste oder zweite Einlassrückschlagventil 120 und 122 und
das elektrohydraulische Vorsteuerventil 130 sind nunmehr
geschlossen und halten dadurch den Hauptsteuerkammerdruck aufrecht.
Dadurch ist der in der Hauptsteuerkammer 112 anstehende
Druck zumindest so hoch wie der entweder in dem ersten oder in dem
zweiten Kanal 104 und 106 anstehende entsprechend
höhere Druck.
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Wenn
sich das elektrohydraulische Vorsteuerventil 130 öffnet,
wird der in der Steuerkammer anstehende Druck über den
Auslasskanal 132 entweder in den ersten oder in den zweiten
Kanal 104 oder 106 mit dem entsprechend niedrigeren
Druck abgelassen. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz entlang des
Hauptstellglieds 110, wodurch das Hauptstellglied vom Ventilsitz 108 abgehoben
wird, so dass ein Strömungsdurchlass zwischen dem ersten
und dem zweiten Kanal 104 und 106 geöffnet
wird. Beim Durchführen dieser Bewegung wird durch die spitz zulaufende
Kontur der Öffnung, die durch die dritte Öffnung 124 ausgebildet
ist, die Fläche vergrößert, durch die
die Flüssigkeit von dem Stellglieddurchgang 114 in
die Hauptsteuerkammer 112 strömt, wodurch die
Strömungsbegrenzung aufgeweitet wird. Das elektrohydraulische
Vorsteuerventil 130 regelt die Strömung von der
Hauptsteuerkammer 112 in proportionaler Weise. Wenn die
Strömung durch die dritte Öffnung 124 des
Stellgliedurchgangs gleich der Strömung durch das elektrohydraulische
Vorsteuerventil ist, wird die Abhebbewegung des Hauptstellglieds 110 vom
Ventilsitz 108 unterbrochen. Der von dem Hauptstellglied 110 gegenüber
dem Ventilsitz eingenommene Abstand und die Druckdifferenz bestimmen
die Durchflussmenge durch das Mehrwege-Regelventil 100.
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Aus
diesem Grund wird das elektrohydraulische Regelventil 130 zur
proportionalen Regelung oder Modulation der Geschwindigkeit verwendet,
mit der die Flüssigkeit von der Hauptsteuerkammer 112 ausgelassen
wird, und damit des Abstands, um den sich das Hauptstellglied 110 vom
Ventilsitz 108 entfernt. Dadurch kann wiederum die Durchflussmenge durch
das Mehrwege-Regelventil 100 geregelt werden. Die Verwendung
eines vorgesteuerten elektrohydraulischen Sitzventils als elektrohydraulisches Vorsteuerventil 130 ermöglicht
die relativ schnelle Regelung des separat angeordneten Hauptstellglieds 110,
das hohe Durchflussmengen durch das Regelventil 100 regelt.
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Bei
einigen Hydrauliksystemen ist eine Zweiwege-Strömungsregelung,
die durch das erste Regelventil, gezeigt in 1, bereitgestellt
ist, nicht erforderlich. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, eine
Regelung vorzusehen, bei der das Stellglied positioniert wird, wenn
die Druckdifferenz entlang des Ventils nur eine Polarität
aufweist. Wenn die Druckdifferenz die dazu entgegengesetzte Polarität
aufweist, öffnet sich das Regelventil automatisch und wird
als „Freiflussmodus” bezeichnet. Dieser „Freiflussmodus” ist
häufig bei einem Flüssigkeitsdurchlass zwischen
einem Hydraulikverbraucher und einem Tankrücklauf wünschenswert,
so dass sich das Regelventil automatisch öffnet, wenn der
Druck in dem Tankrücklauf höher ist als der in
dem Hydraulikverbraucher anstehende Druck, wodurch die Wahrscheinlichkeit
einer Hohlraumbildung in dem Verbraucher reduziert wird. Der Freiflussmodus
wird durch Weglassen des zweiten Einlassrückschlagventils 122 und
durch Schließen sowohl der ersten Öffnung 116 des
Durchgangs 114 als auch des zweiten Auslasskanals 140 realisiert,
so dass nur das erste Auslassrückschlagventil 142 vorgesehen
ist.
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Durch
diese Modifikation wird ein zweites Regelventil 300, gezeigt
in 3, gebildet, in dem ein Körper 302 einen
ersten und einen zweiten Kanal 304 und 306 mit
einem zwischenliegenden Ventilsitz 308 aufweist. Ein Hauptstellglied 310 wird
wahlweise gegen den Ventilsitz 308 zur Anlage gebracht,
so dass der Flüssigkeitsstrom zwischen dem ersten und dem
zweiten Kanal geregelt werden kann. Die Bewegung des Hauptstellglieds 310 wird
durch den in der Hauptsteuerkammer 312 anstehenden Druck
geregelt. Das Hauptstellglied 310 weist einen Durchgang 314 auf,
der sich von dem zweiten Kanal 306 hin zu einer spitz zulaufenden Öffnung 324 hinein
in die Hauptsteuerkammer 312 erstreckt. Die spitz zulaufende Öffnung 324 stellt
eine veränderbare Begrenzung für die Flüssigkeit
bereit, die von dem Durchgang in die Hauptsteuerkammer strömt.
Die Strömungsbegrenzung weitet sich auf, wenn das Hauptstellglied 310 vom
Ventilsitz 308 abgehoben wird, wodurch diese weniger begrenzt
wird, so dass die Durchflussmenge erhöht werden kann.
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Ein
elektrohydraulisches Vorsteuerventil 130, beispielsweise
des in 2 gezeigten Typs, regelt den Flüssigkeitsstrom
zwischen der Hauptsteuerkammer 312 und einem Auslasskanal 332,
der zu dem ersten Kanal 304 führt. Durch ein Auslassrückschlagventil 342 wird
das Durchströmen der Flüssigkeit durch den Auslasskanal 332 nur
in Richtung von dem elektrohydraulischen Vorsteuerventil 130 zu dem
ersten Kanal 304 ermöglicht.
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Wenn
der in dem zweiten Kanal 306 anstehende Druck größer
ist als der in dem ersten Kanal 304 anstehende Druck, moduliert
das zweite Regelventil 300 den Flüssigkeitsstrom
in der gleichen wie vorangehend bezüglich des ersten Mehrwege-Regelventils 100 erläuterten
Weise. In diesem Zustand wird der in dem zweiten Kanal 306 anstehende
Druck durch den Durchgang 314 und in die Hauptsteuerkammer 312 geleitet.
Der in der Hauptsteuerkammer 312 anstehende Druck hält
das Hauptstellglied 310 gegen den Ventilsitz 308 geschlossen.
Zum Öffnen des zweiten Regel ventils 300 wird das
elektrohydraulische Vorsteuerventil 130 geöffnet,
wodurch ein Durchlass durch den Auslasskanal 332 bereitgestellt wird,
durch den der in der Hauptsteuerkammer 312 anstehende Druck
verringert werden kann. Aufgrund der veränderbaren Öffnung,
die durch die spitz zulaufende Öffnung 324 des
Durchgangs 314 bereitgestellt ist, steht in der Hauptsteuerkammer 312 nunmehr
ein niedrigerer Druck an als in dem zweiten Kanal 306.
Dadurch wird durch den in dem zweiten Kanal 306 anstehenden
höheren Druck das Hauptstellglied 310 vom Ventilsitz 308 abgehoben
und ein Hauptstromdurchlass zwischen den beiden Kanälen 304 und 306 geöffnet.
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Anschließend
führt das Schließen des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 zum
Anstieg des in der Hauptsteuerkammer 312 anstehenden Drucks
bis auf Höhe des in dem zweiten Kanal 306 anstehenden
Drucks. Dies führt dazu, dass die Hydraulikkraft und die
Kraft der Feder 315 das Hauptstellglied 310 gegen
den Ventilsitz 308 bewegen können, so dass der
Hauptstromdurchlass zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal 304 und 306 geschlossen
wird.
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In
einem weiteren Zustand, bei dem der in dem ersten Kanal 304 anstehende
Druck größer ist als der in dem zweiten Kanal 306 anstehende
Druck, öffnet sich das zweite Regelventil 300 automatisch, unabhängig
davon, ob an den Solenoidaktuator 38 elektrischer Strom
angelegt wird oder nicht. Nun übt der in dem ersten Kanal 304 anstehende
Druck auf die Nase des Hauptstellglieds 310 Kraft aus,
wodurch der Gegenkraft des in der Hauptsteuerkammer 312 anstehenden
Drucks und der Feder 315 entgegengewirkt wird, so dass
das Hauptstellglied 310 vom Ventilsitz 308 abgehoben
werden kann. Durch diese Bewegung wird die Flüssigkeit
durch die spitz zulaufende Öffnung 324 und den
Durchgang 314 zu dem zweiten Kanal 306 geführt.
Dieser Vorgang wird als Freiflussmodus bezeichnet.
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Die
Polaritäten der Druckdifferenz, bei denen der Freifluss-
und Strömungsmodulationsmodus durchgeführt werden,
können durch Umkehren der Kanäle 304 und 306,
in die der Durchgang 314 und der Auslasskanal 332 einmünden,
umgekehrt werden.
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In
anderen Hydrauliksystemen ist es wünschenswert, das Öffnen
des Hauptstellglieds nur zuzulassen, wenn die Druckdifferenz eine
bestimmte Polarität aufweist. Wenn die dazu entgegengesetzte Druckpolarität
vorhanden ist, schließt sich das Ventil unabhängig
vom Betriebszustand des Solenoidaktuators. Dies wird als „Strömungskontrollmodus” bezeichnet
und kommt häufig bei einem Pumpenauslass hinein in einen
Hydraulikverbraucherdurchlass zum Einsatz, bei dem die Strömung
in Richtung von der Pumpe zum Verbraucher und nicht vom Verbraucher
zur Pumpe begrenzt sein sollte.
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4 stellt
ein drittes Regelventil 400 dar, das den Strömungskontrollmodus
umfasst. Dieses Regelventil weist einen Körper 402 mit
einem ersten und einem zweiten Kanal 404 und 406 auf,
zwischen denen ein Ventilsitz 408 angeordnet ist. Ein Hauptstellglied 410 wird
wahlweise gegen den Ventilsitz 408 zur Anlage gebracht,
um den Flüssigkeitsstrom zwischen dem ersten und dem zweiten
Kanal zu regeln. Die Bewegung des Hauptstellglieds 410 wird durch
den in der Hauptsteuerkammer 412 anstehenden Druck geregelt.
Der Hauptstellglied 410 weist einen ersten Durchgang auf,
der sich von dem zweiten Kanal 406 zu einer spitz zulaufenden Öffnung 424 hinein
in die Hauptsteuerkammer 410 erstreckt. Die spitz zulaufende Öffnung 424 bildet
eine veränderbare Öffnung, die eine veränderbare
Strömungsbegrenzung für die Flüssigkeit
bereitstellt, die von einem ersten Durchgang 414 in die
Hauptsteuerkammer 412 strömt. Diese Strömungsbegrenzung
weitet sich auf, d. h. wird weniger begrenzt, je weiter das Hauptstellglied 410 vom
Ventilsitz 408 abgehoben wird. In dem ersten Durchgang 414 ist
ein erstes Rückschlagventil 422 angeordnet, das
die Strömungskontrollfunktion unterstützt, indem die
Flüssigkeit nur von dem zweiten Kanal 406 zu der
Hauptsteuerkammer 412 strömen kann. Ein zweiter
Durchgang 426 erstreckt sich durch das Hauptstellglied 410 hindurch zwischen
der Hauptsteuerkammer und dem ersten Kanal 404. Ein zweites
Rückschlagventil 428 ermöglicht ein Durchströmen
der Flüssigkeit durch den zweiten Durchgang 426 nur
von dem ersten Kanal 404 zu der Hauptsteuerkammer 412.
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Ein
elektrohydraulisches Vorsteuerventil 130, zum Beispiel
des in 2 gezeigten Typs, regelt den Flüssigkeitsstrom
zwischen der Hauptsteuerkammer 412 und dem Auslasskanal 432.
Der Auslasskanal 432 stellt einen unbegrenzten Strömungsdurchgang
von dem elektrohydraulischen Vorsteuerventil 130 zu dem
ersten Kanal 404 bereit.
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Mit
dem dritten Regelventil 400 bleibt das Hauptstellglied 410 unter
vorhersehbaren Druckbeträgen unabhängig vom Betriebszustand
des Solenoidaktuators 38 geschlossen, wenn der in dem ersten Kanal 404 anstehende
Druck größer ist als der in dem zweiten Kanal 406 anstehende
Druck. Zu diesem Zeitpunkt wird der in dem ersten Kanal 404 anstehende
höhere Druck durch das zweite Rückschlagventil 428 in
die Hauptsteuerkammer 412 geleitet, wo dieser aufgrund
des geschlossenen Zustands des ersten Rückschlagventils 422 eingeschlossen
bleibt. Da der in der Hauptsteuerkammer 412 anstehende
Druck gleich dem Druck in dem ersten Kanal 404 ist, wird
das Hauptstellglied 410 durch die von der Hauptfeder 415 bereitgestellte
zusätzliche Kraft gegen den Ventilsitz 408 angedrückt.
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Wenn
der in dem zweiten Kanal 406 anstehende Druck größer
ist als der in dem ersten Kanal 404 anstehende Druck wird
durch die Betätigung des elektrohydraulischen Vorsteuerventils 130 das
dritte Regelventil 400 dazu gebracht, in der gleichen wie
im Zusammenhang mit dem Druckzustand des ersten Regelventils 100 erläuterten
Weise zu wirken. Das heißt, dass das dritte Regelventil 400 durch
die Größe des an den Solenoidaktuator 38 angelegten
elektrischen Stroms moduliert wird.
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Die
Polaritäten der Druckdifferenz, bei denen der Freifluss-
und Strömungsmodulationsmodus durchgeführt werden,
können durch Umkehren der Kanäle 404 und 406,
in die der Durchgang 414 und der Auslasskanal 432 einmünden,
umgekehrt werden.
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Die
vorangehende Beschreibung bezieht sich vorrangig auf eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl im Rahmen
der vorliegenden Erfindung verschiedene Alternativen berücksichtigt
wurden, soll erkannt werden, dass durch den Fachmann weitere Alternativen,
die sich nunmehr aus der Offenbarung der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben, realisierbar sind. Aus diesem
Grund soll der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die nachfolgenden
Ansprüche definiert sein und nicht als auf die vorstehende
Offenbarung beschränkt gelten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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