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Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Proportionalsitzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen – wie z.B. Bagger, Gabelstapler und Traktoren – werden zur Bewegung und Positionierung von Arbeitsausrüstung bzw. von Arbeitsgeräten – z.B. dem Frontlader eines Traktors – insbesondere bei langsamen Bewegungen feinfühlige Einstellmöglichkeiten gewünscht. Dazu werden in den Hauptsteuerschieber von Schieberventilen Kerbformen eingearbeitet, die bei geringen Schieberhüben bzw. geringen Volumenströmen eine feinfühlige Dosierung des Volumenstroms ermöglichen. Bei verschiedenen Anwendungen z.B. bei der Einstellung einer Drehzahl eines Düngerstreuers ergeben sich weiterhin hohe Anforderungen an die Stellgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit. Hierfür sind aus dem Stand der Technik positionsgeregelte Hauptsteuerschieber für Schieberventile bekannt.
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Daneben sind auch vorgesteuerte Sitzventile zur Steuerung von Arbeitsgeräten in der Mobilhydraulik bekannt. Die Druckschriften
DE 10 2009 055 802 A1 und
EP 1 186 784 B1 zeigen jeweils ein proportional verstellbares Sitzventil mit einer hydraulischen Vorsteuerung. Bei diesen Ventilen kann mit einer relativ geringen Öffnungskraft an einem Vorsteuer-Ventilkörper eine Hauptstufe geöffnet werden, an der hohe Drücke wirken und über die hohe Volumenströme gesteuert werden. Zur Öffnung der Hauptstufe wird über die Vorsteuerung ein in Schließrichtung eines Hauptsteuer-Ventilkörpers wirkender Rückraum entlastet.
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Die Druckschrift
DE 11 2009 000 319 T5 zeigt eine hydraulisch vorgesteuerte Sitzventilanordnung mit drei Stufen. Dabei wird bei einem ersten vergleichsweise geringen Volumenstrombereich nur die Vorstufe über einen Pilotstift geöffnet und geregelt, ein mittlerer Volumenstrombereich ist mit einem zusätzlich geöffnetem Hilfsventil realisiert, und ein dritter Volumenstrombereich ist mit einer darüber hinaus geöffneten Hauptstufe realisiert. Damit ist im ersten Volumenstrombereich mit geringem Volumenstrom eine Feinsteuerung möglich, wozu nur der Vorsteuer-Ventilkörper bewegt wird.
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Nachteilig an den vorgesteuerten Proportionalsitzventilen gemäß dem Stand der Technik ist die fehlende Reproduzierbarkeit der geringen Volumenströme.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein vorgesteuertes Proportionalsitzventil zu schaffen, über dessen Vorstufe bei geschlossener Hauptstufe ein vergleichsweise geringer Volumenstrom bereitgestellt werden kann, der reproduzierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein vorgesteuertes Proportionalsitzventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße vorgesteuerte Sitzventilanordnung hat eine Hauptstufe, die von einer hydraulischen Vorstufe steuerbar ist. Ein von einer angeschlossenen Pumpe zu einem angeschlossenen Verbraucher gerichteter Volumenstrom, der über die Sitzventilanordnung steuerbar ist, ist in einen ersten kleineren Volumenstrombereich und in einen zweiten größeren Volumenstrombereich unterteilt. Der erste Volumenstrombereich ist durch die positionsgeregelte Vorstufe steuerbar, wobei die Hauptstufe geschlossen bleibt. Beim zweiten Volumenstrombereich, der durch die Positionierung der Vorstufe steuerbar ist, ist auch die Hauptstufe geöffnet. Eine Stellung bzw. Position eines Vorsteuerkolbens der Vorstufe ist erfassbar. Damit kann die erfasste Position des Vorsteuerkolbens zu einem späteren Zeitpunkt wieder genau eingestellt werden. Weiterhin sind keine Feinsteuerkerben an einem Hauptsteuerkolben der Hauptstufe nötig, wodurch eine Feinsteuerung mit verringertem fertigungstechnischem Aufwand des Hauptsteuerkolbens möglich ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen vorgesteuerten Sitzventilanordnung ist die Position des Vorsteuerkolbens der Vorstufe sensorlos erfassbar, wobei keine speziellen Wegaufnehmer nötig sind, die Dichtungen benötigen und damit Reibungsverluste und Hysterese erzeugen würden. Damit ist die Reproduzierbarkeit insbesondere bei geringen Volumenströmen der Sitzventilanordnung verbessert.
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Vorstellbar ist aber auch eine Wegmessung über einen zusätzlichen, z.B. induktiven Wegsensor, welcher z.B. an einem Magnetzuganker oder dem Vorsteuerkolben angebracht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Sitzventilanordnung ist vorzugsweise in einer Mobilhydraulik verbaut. So kann damit – z.B. nach dem Wenden eines Traktors am Ende einer Nutzfläche – über die erfindungsgemäße Sitzventilanordnung ein bestimmter Volumenstrom – z.B. zu einem Drehantrieb – eines Düngerstreuers genau wieder eingestellt werden.
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Die beiden Volumenstrombereiche sind durch einen Volumenstromschwellwert, der vorzugsweise einstellbar ist, voneinander abgegrenzt. Der Volumenstromschwellwert kann z.B. 40l/min betragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Sitzventilanordnung ist die Position des Vorsteuerkolbens von einem elektronisches Steuergerät über einen damit verbundenen Proportionalmagneten einstellbar und regelbar.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der sensorlosen Positionserfassung des Vorsteuerkolbens erfolgt über die Induktivität einer Spule des Proportionalmagneten in Abhängigkeit von der Position eines am Vorsteuerkolben befestigten oder daran gebildeten Magnetankers.
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Eine flexibel einsetzbare und nutzbare Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sitzventilanordnung ist in einer Patronenhülse angeordnet.
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Bei einer fertigungstechnisch einfachen Weiterbildung ist ein Hauptsteuerkolben der Hauptstufe koaxial und bewegbar in der Patronenhülse aufgenommen. Ein Dichtsitz der Hauptstufe ist zwischen dem Hauptsteuerkolben und der Patronenhülse abgebildet.
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In der Patronenhülse sind vorzugsweise ein den Hauptsteuerkolben ungreifender Verbraucherringkanal und ein den Vorsteuerkolben ungreifender Pumpenringkanal ausgebildet, die über den Dichtsitz der Hauptstufe gegeneinander absperrbar sind.
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Bei einer fertigungstechnisch einfachen Weiterbildung ist der Vorsteuerkolben abschnittsweise im Hauptsteuerkolben koaxial und bewegbar aufgenommen. Ein Dichtsitz der Vorstufe ist zwischen dem Vorsteuerkolben und dem Hauptsteuerkolben abgebildet.
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Zwischen der Patronenhülse und einer Stirnseite des Hauptsteuerkolbens ist vorzugsweise ein in Schließrichtung des Hauptsteuerkolbens wirkender Rückraum vorgesehen, während im Innern des Hauptsteuerkolbens und an einer Stirnseite des Vorsteuerkolbens ein in Schließrichtung des Vorsteuerkolbens wirkender Rückraum vorgesehen ist.
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Zwischen den beiden Rückräumen kann ein am Hauptsteuerkolben befestigter Dichtstopfen vorgesehen sein, in dem eine die beiden Rückräume verbindende Blende ausgebildet ist. Darüber kann das in Schließrichtung des Versteuerkolbens wirkende Druckmittel zur Rückseite des Hauptsteuerkolbens übertragen werden, so dass dieser dem Hauptsteuerkolben nachgeführt werden kann.
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Aus Gründen einer Zugänglichkeit des Proportionalmagneten bei der Weiterbildung mit der Patronenhülse wird es bevorzugt, wenn der Proportionalmagnet an einem von den beiden Rückräumen beabstandeten Endabschnitt der Patronenhülse befestigt ist und in Wirkverbindung mit einem von den beiden Rückräumen beabstandeten freien Endabschnitt des Vorsteuerkolbens steht.
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Wenn der Verbraucherringkanal und der Pumpenringkanal über ein im Innern des Vorsteuerkolbens angeordnetes Wechselventil mit dem Rückraum des Vorsteuerkolbens verbindbar sind, kann der jeweils höhere Druck direkt in Schließrichtung des Vorsteuerkolbens und – durch die Blende verzögert – in Schließrichtung des Hauptsteuerkolbens wirken.
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Im Innern des Hauptsteuerkolbens kann dabei ein Ringkanal ausgebildet sein, der einerseits über zumindest eine Radialbohrung des Hauptsteuerkolbens mit dem Verbraucherringkanal und andererseits über zumindest eine Radialbohrung des Vorsteuerkolbens mit dem Wechselventil verbunden ist. Der Ringkanal ist über den Dichtsitz der Vorstufe – und vorzugsweise über einen weiteren Ringkanal – und über Feinsteuerkerben mit dem Pumpenringkanal verbindbar.
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Im Hauptsteuerkolben kann eine Bohrung ausgebildet sein, die den Rückraum des Hauptsteuerkolbens mit einem Ringkanal verbindet, der am Innenumfang des Hauptkolbens angeordnet ist, und der über Feinsteuerkerben des Vorsteuerkolbens mit dem Verbraucherringkanal verbindbar ist. Damit kann der Rückraum des Hauptsteuerkolbens bei einer Bewegung des Vorsteuerkolbens in Öffnungsrichtung über die Feinsteuerkerben entlastet werden, bis sich ein Blendenquerschnitt über die Feinsteuergeometrie in der Art eingestellt hat, so dass der im Rückraum des Hauptkolbens entstehende Zwischendruck für ein Kräftegleichgewicht am Hauptsteuerkolben sorgt und dieser somit dem Vorsteuerkolben in seiner Position direkt folgen kann.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen vorgesteuerten Sitzventilanordnung im seitlichen Schnitt; und
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2 ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß 1.
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1 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen vorgesteuerten Sitzventilanordnung im seitlichen Schnitt, während 2 das hydraulische Ersatzschaltbild zeigt. Ein Pumpenkanal 2 wird über die Sitzventilanordnung bedarfsgerecht mit einem Verbraucherkanal 3 verbunden. Deren beiden Drücke wirken durch Bohrungen jeweils auch in einem Verbraucherringkanal 5 und einem Pumpenringkanal 6 einer Patronenhülse 1. Ein O-Ring 4 dichtet die Kanäle 2, 3 gegeneinander ab. Die in der Patronenhülse 1 verbaute Sitzventilanordnung besteht im Wesentlichen aus einer Hauptstufe 32 mit einem Hauptsteuerkolben 7, einer Pilotstufe bzw. Vorstufe 33 mit einem Vorsteuerkolben 8, einem Wechselventil 9 und einem elektrischen Proportionalmagneten 10.
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Im nicht betätigten (in 1 gezeigten) Zustand ist die Kraft durch den Proportionalmagneten 10 kleiner als die auf den Vorsteuerkolben 8 wirkenden Gegenkräfte. Dadurch wird der Vorsteuerkolben 8 durch eine Rückstellfeder 11 in ihren Dichtsitz 12 mit dem Hauptsteuerkolben 7 gedrückt. Die Rückstellfeder 11 wird über die beiden Federteller 13 und 14 in ihrer Position gehalten.
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Ist der Druck im Verbraucherkanal 3 größer als der Druck im Pumpenkanal 2, so wird sich dieser über die Bohrung 15, das Wechselventil 9 und die Bohrung 17 in den im Inneren des Hauptsteuerkolbens 7 angeordneten Rückraum 16 des Vorsteuerkolbens 8 fortpflanzen. Der hier auf der Stirnfläche des Vorsteuerkolbens 8 wirkende Druck resultiert in einer Kraft, welche den Vorsteuerkolben 8 zusätzlich stärker in seinen Dichtsitz 12 mit der Hauptsteuerkolben 7 drückt. Des Weiteren wird der im Rückraum 16 anliegende Lastdruck (Verbraucherdruck) durch die Blende 18 des Dichtstopfens 22 in den im Inneren der Patronenhülse 1 angeordneten Rückraum 19 des Hauptsteuerkolbens 7 gemeldet. Dieser Druck wirkt auf die an den Rückraum 19 grenzende Stirnfläche und verursacht eine resultierende Kraft, welche den Hauptsteuerkolben 7 in seinen Dichtsitz 20 mit der Patronenhülse 1 drückt.
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Wenn der Druck im Pumpenkanal 2 größer als im Verbraucherkanal 3 ist, wird dieser über die Bohrung 21, das Wechselventil 9 im Vorsteuerkolben 8 und über die Bohrung 17 in den Rückraum 16 des Vorsteuerkolbens 8 bzw. der Vorstufe 33 gemeldet. Der Vorsteuerkolben 8 ist nun druckausgeglichen und wird nur noch durch die Rückstellfeder 11 in seinen Dichtsitz 12 mit dem Hauptsteuerkolben 7 gedrückt. Über die Blende 18 im Dichtstopfen 22 wird der Pumpendruck ebenfalls in den Rückraum 19 des Hauptsteuerkolbens 7 gemeldet. Durch den größeren Durchmesser der Stirnfläche auf der Rückraumseite 19 gegenüber dem Durchmesser der Stirnfläche auf der Pumpendruckseite vor dem Dichtsitz 20 resultiert eine Druckkraft in schließende Richtung. Der Hauptsteuerkolben 7 verbleibt in seinen Dichtsitz 20 und die Hauptstufe 32 bleibt geschlossen.
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Um die Vorsteuerstufe bedarfsgerecht öffnen zu können wird aus der Positionsvorgabe in einem Steuergerät 23 ein elektrischer Strom bestimmt, welcher in die Spulenwicklung des Proportionalmagneten 10 fließt. Durch die erzeugte Magnetkraft entsteht eine resultierende Kraft am Vorsteuerkolben 8, so dass dieser sich öffnen kann. Der elektrische Strom wird solange nachgeregelt, bis der Vorsteuerkolben 8 seine geforderte Sollwertposition erreicht hat. Die Position wird aus der Kenntnis der sich ändernden Induktivität der Spule bestimmt. Der Dichtsitz 12 öffnet sich und gibt eine Verbindung zwischen dem Ringkanal 24 und dem Ringkanal 25 frei. Gleichzeitig öffnen sich die Feinsteuerkerben 26 des Vorsteuerkolbens 8 und geben einen Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ringkanal 25 und dem Pumpenringkanal 6 frei. Es kann nun ein Volumenstrom vom Pumpenkanal 2 über die Ringkanäle 24 und 25 in den Verbraucherkanal 5 fließen. Der aus dem Zwischenraum 16 verdrängte Ölstrom kann über die Bohrungen 17 und 21, sowie über das Wechselventil 9 in den Pumpenringkanal 6 strömen. Der Hauptsteuerkolben 7 verbleibt vorerst in seiner Position.
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Öffnet sich der Vorsteuerkolben 8 soweit, bis die Feinsteuerkerben 27 und die Kante des Ringkanals 28 einen Querschnitt freigeben, kann aus dem Rückraum 19 der Hauptsteuerkolben 7 ein Ölstrom über die Bohrung 29, den resultierenden Blendenquerschnitt der Feinsteuerkerben 27 und den Ringkanal 24 in den Verbraucherringkanal 5 fließen. Dabei entstehen Druckgefälle über den Blendenquerschnitten der Blende 18 und der Feinsteuerkerben 27, so dass im Rückraum 19 der Druck absinken kann. Daraus resultiert eine Kraft auf den Hauptsteuerkolben 7 in öffnende Richtung, wodurch dieser seine Position ändert. Dadurch verringert sich aber der Blendenquerschnitt der Feinsteuerkerben 27 wieder, so dass der Druck im Rückraum 19 wieder steigen kann. Der Druck steigt solange, bis sich ein Kräftegleichgewicht eingestellt hat und der Hauptsteuerkolben 7 der Position des Vorsteuerkolbens 8 folgen kann.
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Durch die Feder 30 wird der Vorsteuerkolben 8 über seinen Magnetanker in einer Vorzugsposition gehalten. Des Weiteren dient die Feder 30 zum Einstellen der Öffnungskraft, da mit ihr Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Über eine Schraube 31 kann die Vorspannkraft der Feder 30 eingestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Sitzventilanordnung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass sich erst bei Erreichen eines Pumpendruckes, der größer als der Verbraucherdruck ist, ein Druckausgleich des Vorsteuerkolbens 8 einstellt. Sollte dieser Punkt ebenfalls über die Ansteuerung erkannt werden können (z.B. solange höherer elektrischer Strom als bei druckausgeglichenem Vorsteuerkolben 8 gestellt werden muss), bleibt der Vorsteuerkolben 8 geschlossen, bis sich ein Pumpendruck aufgebaut hat, der größer als der Lastdruck bzw. Verbraucherdruck ist. Ein kurzzeitiges Absinken einer Last bei Bewegungseinleitung kann somit verhindert werden.
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Offenbart ist ein vorgesteuertes Sitzventil mit einer Hauptstufe, die von einer hydraulischen positionsgeregelten Pilotstufe steuerbar ist. Ein Volumenstrom, der von dem Sitzventil reproduzierbar steuerbar ist, ist in einen ersten kleineren Volumenstrombereich und in einen zweiten größeren Volumenstrombereich unterteilt. Der erste Volumenstrombereich ist durch die Pilotstufe reproduzierbar steuerbar, wobei die Hauptstufe geschlossen bleibt. Beim zweiten Volumenstrombereich, der durch die Positionierung der Pilotstufe steuerbar ist, ist auch die Hauptstufe geöffnet. Eine Stellung bzw. Position eines Vorsteuerkolbens der Pilotstufe kann ohne spezielle Wege- oder Positionssensoren – und vorzugsweise berührungslos – erfasst werden. Damit kann die erfasste Position des Vorsteuerkolbens zu einem späteren Zeitpunkt wieder genau eingestellt werden, wozu keine speziellen Wegaufnehmer nötig sind, die Dichtungen benötigen und damit Reibungsverluste und Hysterese erzeugen würden. Vorzugsweise ist dabei die Position des Vorsteuerkolbens über eine Induktivität einer Spule eines Verstellmagneten erfassbar. Vorstellbar ist aber auch eine Ausführung mit zusätzlichem z.B. induktiven Wegaufnehmer, welcher z.B. an den Magnetanker oder der Vorsteuerstufe montiert / angebracht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Patronenhülse
- 2
- Pumpenkanal
- 3
- Verbraucherkanal
- 4
- O-Ring
- 5
- Verbraucherringkanal
- 6
- Pumpenringkanal
- 7
- Hauptsteuerkolben
- 8
- Vorsteuerkolben
- 9
- Wechselventil
- 10
- Proportionalmagnet
- 11
- Rückstellfeder
- 12
- Dichtsitz der Vorstufe
- 13
- Federteller
- 14
- Federteller
- 15
- Bohrung
- 16
- Rückraum (des Vorsteuerkolbens)
- 17
- Bohrung
- 18
- Blende
- 19
- Rückraum (des Hauptsteuerkolbens)
- 20
- Dichtsitz der Hauptstufe
- 21
- Bohrung
- 22
- Dichtstopfen
- 23
- Steuergerät
- 24
- Ringkanal
- 25
- Ringkanal
- 26
- Feinsteuerkerben
- 27
- Feinsteuerkerben
- 28
- Ringkanal
- 29
- Bohrung
- 30
- Feder
- 31
- Schraube
- 32
- Hauptstufe
- 33
- Vorstufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009055802 A1 [0003]
- EP 1186784 B1 [0003]
- DE 112009000319 T5 [0004]
