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Die
Erfindung betrifft ein Schieberventil der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art.
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In
der Praxis bekannte Schieberventile, beispielsweise auch sogenannte
Proportional-Schieberventile,
werden hydraulisch oder fallweise manuell aus einer Grund- oder
Neutralstellung verstellt, um Hydraulikströme zu steuern und/oder je nach
Auslenkungsgrad eine bestimmte Strommenge pro Zeiteinheit durchzulassen.
In den meisten Schieberventilen wird die Grund- oder Neutralstellung
durch die Federanordnung eingestellt, die dann noch eine Grundvorspannung
hat, die jedoch geringer ist, als die Vorspannung in jeder ausgelenkten
Hubwegstellung des Schieberkolbens. Die Gegenkraft aus der Grund- oder
Neutralstellung nimmt in jeder Verstellrichtung zu, da die Federanordnung
zunehmend zusammengedrückt
wird. Der Schieberkolben bleibt solange in einer ausgelenkten Hubwegstellung,
wie eine entsprechende Verstellkraft wirkt. Da der eigentliche Verstellwiderstand
des Schieberkolbens von vielen Faktoren abhängt, die sich im Betrieb ändern, ist
es zwischen mechanisch begrenzten Endpositionen kaum möglich eine
ausgelenkte Zwischen-Hubwegstellung mit hydraulisch erzeugter Verstellkraft
exakt einzustellen, und zu halten.
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In
elektrohydraulischen Spannvorrichtungen von Werkzeugmaschinen sind
hydraulisch verstellbare Richtungssteuer-Schieberventile bekannt,
deren Schieberkolben in beiden Richtungs-Endstellungen durch eine
mechanische Verrastung festlegbar ist, um sicherzustellen, dass
bei einem Stromausfall und Verlust der hydraulischen Stellkraft
der Schieberkolben in der eingestellten Endstellung verharrt. Diese
Schieberventile enthalten keine den Schieberkolben beaufschlagende
Federanordnung.
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Ferner
sind in der Praxis Proportionalschieberventile oder Federanordnung
beispielsweise für Erdbohrgeräte bekannt,
deren Schieberkolben in jeder Hubwegstellung stehen bleibt, um eine
bestimmte Bohrgeschwindigkeit (Strommenge) einzuhalten.
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Bei
einem aus
US 30 88 489 bekannten,
hydraulisch betätigten
Schieberventil weist ein mit dem Schieber verfahrbarer Hülsenkörper innenliegende Rastnuten
auf, die mit mehreren um den Umfang verteilten Rastkugeln zusammenarbeiten.
Die Rastkugeln sind in einem im Gehäuse festgelegten Kolben platziert
und werden durch eine Feder und einen Konus des Kolbens in die Eingriffsstellung
gedrückt. Zum
Lösen der
Verrastung wird der Kolben mit dem Konus hydraulisch. gegen Federkraft
verstellt.
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Bei
einem aus
US 4 936 346 (
2 und
3) bekannten,
mechanisch verstellbaren Schieberventil ist im Inneren des Schiebers
ein Kolben hydraulisch gegen Federkraft verstellbar, der über einen
konischen Verstellabschnitt mehrere in Umfangsrichtung verteilte
Rastkugeln nach außen
und in Eingriff mit jeweils einer nach innen offenen Rastnut beaufschlagt. Zum
Lösen einer
verrasteten Hubwegstellung wird der Stelldruck für den Kolben abgebaut, so dass
der Kolben durch die Federkraft in eine Lösestellung gedrängt wird,
in der die Rastkugeln nach innen in den Schieber zurückgedrückt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schieberventil mit einer
den Schieberkolben beaufschlagenden Federanordnung zu schaffen,
das zumindest hydraulisch einfach zu verstellen ist und eine kompakte,
funktionssichere Verrastung aufweist.
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Die
gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Kombination der mechanischen Rastvorrichtung, die wenigstens eine
zweite vorbestimmte, verrastete Hubwegstellung des Schieberkolbens
definiert, mit der Federanordnung, die eine erste vorbestimmte Hubwegstellung
definiert, resultiert in einer einfachen, zumindest hydraulischen
Verstellung des Schieberventils. Da die Verstellkraft den Schieberkolben
aus der ersten Hubwegstellung gegen die sich verformende Federanordnung
bewegt, und die Haltekraft der Rastvorrichtung in der zweiten Hubwegstellung
größer eingestellt
ist als die Wirkkraft der Federanordnung ist, liegen bei der Verstellung
relativ genau vorherbestimmte Kraftverhältnisse vor, gegenüber denen
den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens grundsätzlich variierende
Einflüsse
in den Hintergrund treten. D.h., der hydraulische Verstelldruck
und/oder die Einwirkzeit des hydraulischen Verstelldrucks ist bzw.
sind genau bekannt, um den Schieberkolben zuverlässig in die zweite verrastete Hubwegstellung
zu bringen, die dieser einhält,
sobald keine Verstellkraft mehr wirkt. Es kann der hydraulische
Verstelldruck relativ grob auf einen so hohen Wert eingestellt werden,
dass die zweite vorbestimmte Hubwegstellung zuverlässig erreicht
wird, ohne Gefahr, den Schieberkolben über die zweite vorbestimmte
Hubwegstellung hinaus zu verfahren. Denn bei Erreichen der zweiten
vorbestimmte Hubwegstellung wirken die gestiegene Kraft der Federanordnung
und die Kraft der Rastvorrichtung, wobei jedoch die Kraft der Federanordnung
nach Überfahren der
zweiten vorbestimmten Hubwegstellung noch aufstiege. Durch das Zusammenspiel
zwischen der mechanischen Rastvorrichtung und der Federanordnung
lässt sich
das Schieberventil demzufolge sehr einfach hydraulisch verstellen.
Dies gilt auch für
eine mechanische oder eine Handverstellung, die gegebenenfalls zusätzlich zur
hydraulischen Verstellvorrichtung vorgesehen ist. Um den Schieberkolben
aus der wenigstens einen zweiten vorbestimmten, verrasteten Hubwegstellung
wieder zurück
in die erste Hubwegstellung zu bringen, ist es nun nur erforderlich,
einen hydraulischen oder mechanischen Verstellkraftimpuls aufzubringen,
der unter der Rückstellkraft
der Federanordnung ausreicht, die Haltekraft der Rastvorrichtung
zu überwinden.
Sobald die Haltekraft der Rastvorrichtung überwunden ist, bringt die Federanordnung
den Schieberkolben selbsttätig in
die erste Hubwegstellung zurück.
Trotz steuerungstechnisch einfacher hydraulischer Verstellung des
Schieberventils ist hohe Sicherheit gegeben, dass der Schieberkolben
die jeweils gewünschte Hubwegstellung
genau erreicht. Deshalb kann das Schieberventil sogar ohne zusätzliche Überwachungseinrichtungen
für Einsatzfälle benutzt
werden, in denen bisher zusätzliche Überwachungsvorrichtungen
notwendig waren, um das Erreichen der gewünschten Hubwegstellung zu bestätigen. Zusammengefasst
werden die sich aus der Kombination der Federanordnung und der Rastvorrichtung
ergebenden, relativ genau bekannten Kraftverhältnisse genutzt, um ohne Beeinträchtigung
durch die unvermeidlichen, den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens
im Betrieb variierenden Einflüsse
eine präzise
Verstellung des Schieberventils steuern zu können, und den Schieberkolben
in der jeweils gewünschten
Hubwegstellung selbsthaltend zu positionieren. Zweckmäßig definiert
die Rastvorrichtung eine zweite und mindestens eine dritte vorbestimmte verrastete
Hubwegstellung des Schieberkolbens. Diese Hubwegstellungen sind
nicht notwendigerweise die Endstellungen des Hubwegs des Schieberkolbens.
Die zweiten und dritten Hubwegstellungen könnten durchaus an derselben
Seite der ersten Hubwegstellung gewählt werden. Die Rastvorrichtung
weist wenigstens ein Rastglied und wenigstens eine Rastvertiefung
für das
Rastglied auf, die sich bei der Bewegung des Schieberkolbens relativ
zueinander bewegen, und dabei keine nennenswerten Hemmkräfte aufbauen,
bis die verrastete Hubwegstellung erreicht ist. Die herstellungstechnisch
einfache und kompakte Rastvorrichtung zeichnet sich durch eine mit
dem Schieberkolben gekoppelte Hülse
aus, die die Rastvertiefung aufweist, und von einem Hülsenkörper umgeben
ist, in welchem die Rastglieder gehaltert sind. Die Rastglieder
sind zweckmäßigerweise
federbelastete Kugeln, die einen sicheren Rasteingriff erzeugen,
außerhalb
des Rasteingriffes jedoch keine nennenswerten Hemmkräfte produzieren.
Es dient ein erster Gehäusekappenanschlag zum
Positionieren des Hülsenkörpers und
als Abstützung
für ein
erstes Federwiderlager, wobei die Gehäusekappe auch einen zweiten
Anschlag für
ein zweites Federwiderlager hat, das auf der Hülse angeordnet ist. Zwischen
den Federwiderlagern ist wenigstens eine vorgespannte Druckfeder
vorgesehen. Montagetechnisch einfach wird die Hülse über einen Spannteil am Schieberkolben
gehalten. Die Hülse weist
einen Bewegungsabschnitt für
die beiden Federwiderlager auf, wobei die Hülse und der Spannteil den Bewegungsabschnitt
in axialer Richtung begrenzende Mitnehmeranschläge für die beiden Federwiderlager
bilden.
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Der
hydraulische Verstelldruck der Verstellvorrichtung wird auf einen
Wert eingestellt, der größer ist
als die Festsetzkraft der Rastvorrichtung in der verrasteten Hubwegstellung.
Damit ist sichergestellt, dass der Schieberkolben gegen die zunehmende Kraft
der Federanordnung in die zweite Hubwegstellung gebracht und dort
verrastet wird, da die wirksame Kraft der Federanordnung kleiner
ist, als die Festsetzkraft der Rastvorrichtung. Diese Druck-Einstellung
gewährleistet,
dass die verrastete Hubwegposition des Schieberkolbens einfach auch
wieder gelöst werden
kann, um den Schieberkolben in die erste Hubwegstellung zurückzubringen.
Der Verstelldruck kann jedoch auch, abhängig von der Verstellrichtung, für jede Verstellrichtung
anders eingestellt werden.
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Zweckmäßig ist
ein Verstelldruck-Einstellventil mit einem Betätigungsmagneten vorgesehen. Über das
Einstellventil wird der jeweils erforderliche Verstelldruck aufge baut,
wobei der Betätigungsmagnet
gegebenenfalls auch die Zeitdauer der Einwirkung des Verstelldrucks
steuert. Handelt es sich bei dem Betätigungsmagneten um einen Proportionalmagneten,
dann kann der Verstelldruck und/oder die Verstellgeschwindigkeit
mit dem Wert des Stroms für den
Proportionalmagneten besonders einfach eingestellt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei ausgelenkte und verrastete Hubwegstellungen des Schieberkolbens
in etwa beiderseits einer Mittellage des Schieberkolbens vorgesehen,
die die erste Hubwegstellung ist. Da die Federanordnung in den beiden
Verstellrichtungen in etwa die gleiche Kraftzunahme erzeugt, können für die beiden
Verstellrichtungen in etwa gleiche Verstelldrücke eingesetzt werden.
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Um
mit relativ geringem mechanischem Kraftaufwand eine stabile verrastete
Hubwegstellung zu erhalten, sollte jeder Rastvertiefung als Umfangsnut
für den
gleichzeitigen Rasteingriff mehreren in Umfangsrichtung verteilter
Rastglieder ausgebildet sein. Alternativ könnten auch auf die Rastglieder
ausgerichtete Vertiefungen benutzt werden, in die die Rastglieder
gleichzeitig eingreifen.
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Bei
einer konkreten Ausführungsform
weist die Hülse
zwei axial beabstandete Umfangsnuten und zwischen diesen eine zylindrische
Einschnürung auf,
von der, vorzugsweise, jeweils ansteigende Flanken zu den Umfangsnuten
führen.
Diese Ausbildung resultiert in einem exakt vorherbestimmbaren Kraftverlauf
bis zum Einrücken
und nach dem Ausrücken
der Rastvorrichtung. In der zylindrischen Einschnürung üben die
Rastglieder keinen nennenswerten Einfluss mehr aus, weil dann die
Federanordnung die Positionierung vornimmt.
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Montagetechnisch
einfach werden die Rastglieder gemeinsam durch ein Federelement
beaufschlagt. Hierzu ist eine C-förmige, am Hülsenkörper drehgesicherte Feder zweckmäßig. Die
Rastvorrichtung lässt
sich bequem in einer Gehäusekappe
baulich mit der Federanordnung kombinieren. Diese vorfertigbare
Baueinheit kann bei Bedarf an verschiedene Typen von Schieberventilen
angebaut werden. In der Gehäusekappe
erfolgt z.B. die hydraulische Verstell-Beaufschlagung des Schieberkolbens.
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An
einem Gehäuseende
des Schieberventils kann eine zusätzliche mechanische Verstellvorrichtung
für den
Schieberkolben vorgesehen sein. Die Zusammenarbeit zwischen der
Federanordnung und der Rastvorrichtung lässt sich auch bei Benutzen
der mechanischen Verstellvorrichtung einsetzen, z.B. bei einer Handverstellung.
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Der
Innenquerschnitt des Hülsenkörpers entspricht
in etwa der hydraulischen Verstelldruckbeaufschlagungsfläche des
Schieberkolbens. Dies bedeutet, dass der hydraulische Verstelldruck
in dem Bereich zur Wirkung kommt, in der sich die Federanordnung
und die damit kombinierte Rastvorrichtung befinden. Dies schließt aber
nicht aus, die Rastanordnung beispielsweise bei einem Ende des Schieberkolbens,
und die Federanordnung beim anderen Ende des Schieberkolbens anzuordnen,
oder an beiden Schieberkolbenenden jeweils eine Rastvorrichtung
und eine Federanordnung vorzusehen.
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Anhand
der Zeichnung wird eine Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Schieberventils, teilweise axial geschnitten.
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Ein
Schieberventil S enthält
in einem blockförmigen
Gehäuse 1 einen
linear verstellbaren Schieberkolben 2, wobei zur hydraulischen
Verstellung des Schieberkolbens 2 für jede Verstellrichtung ein
mit einer Dichtung 5 abgedichteter Ventileinsatz 3 eines Ventils 4 (nur
ein Ventil 4 ist gezeigt) in das Gehäuse 1 eingreift, derart,
dass der Verstelldruck z. B. im Inneren einer Gehäusekappe 9 wirkt.
Das Ventil 4 ist mit Befestigungsschrauben 6 am
Gehäuse 1 befestigt
und weist einen Betätigungsmagneten 7 auf. Zweckmäßig ist
der Betätigungsmagnet 7 ein
Proportionalmagnet, der in Abhängigkeit
von der Stromstärke
den Verstelldruck steuert.
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Die
Gehäusekappe 9 definiert
einen durch eine Dichtung 14 abgedichteten Raum 8 für den Verstelldruck
und nimmt bei dieser Ausführungsform eine
Kombination aus einer mechanischen Rastvorrichtung R und einer Federanordnung
F auf.
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Am
anderen Ende des Gehäuses 1 ist
eine mechanische Verstellvorrichtung M vorgesehen. Ein Block 10 am
Gehäuse 1 koppelt
einen Lenker 11 an einer Stellwelle 12 mit dem
Schieberkolben 2. Die Stellwelle 12 lässt sich
mittels eines Handhebels 3 von Hand (oder durch einen nicht
gezeigten Antrieb) verschwenken.
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Die
mechanische Rastvorrichtung R besteht aus einer Hülse H mit
zwei axial beabstandeten Rastvertiefungen N1, N2, und einem die
Hülse H
umgebenden, gegebenenfalls führenden,
Hülsenkörper K, in
dem in Umfangsrichtung verteilte Rastglieder G radial verstellbar
gehaltert sind. Die Hülse
H ist durch eine Spannschraube 15 und eine Unterlegscheibe 16 zu
gemeinsamen Bewegung mit dem Schieberkolben 2 (Anschlag)
verbunden. Die beiden Rastvertiefungen N1, N2 sind bei der gezeigten
Ausführungsform
Umfangsnuten, annähernd
dreieckigen Querschnitts, zwischen denen eine zylindrische Einschnürung 18 vorgesehen
ist. Von der zylindrischen Einschnürung 18 führen jeweils
schräge
oder gerundete Rampen 19 zu den Umfangsnuten.
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Die
Rastglieder G sind Kugeln, die in einer zur Achse der Spannschraube 15 senkrechten
Ebene in Radialbohrungen des Hülsenkörpers K
sitzen, z.B. acht in regelmäßigen Umfangsabständen angeordnete
Kugeln. Alle vorgesehenen Rastglieder werden von einem gemeinsamen
Federelement 20 nach innen nachgiebig beaufschlagt, z.B.
durch eine C-förmige
Feder, die im Hülsenkörper K verdrehgesichert ist.
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Anstelle
der die Rastvertiefungen N1, N2 bildenden Umfangsnuten könnten auch
in Umfangsrichtung verteilte, auf die Rastglieder G ausgerichtete Vertiefungen
so vorgesehen sein, dass alle Rastglieder zur gleichen Zeit zum
Eingriff kommen. Ferner könnte
nur eine Rastvertiefung bzw. Umfangsnut vorgesehen sein, oder könnten über die
Länge der
Hülse H
mehr als zwei Rastvertiefungen vorgesehen sein. Eine kinematische
Umkehr ist ebenfalls möglich,
d.h., die Rastglieder könnten
in der Hülse
H angeordnet sein, während
die Rastvertiefungen N1, N2 dann im Hülsenkörper K gebildet wären.
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Die
Federanordnung F besteht aus ersten und zweiten Federwiderlagern
W1, W2 und wenigstens einer zwischen den Federwiderlagern W1, W2 angeordneten,
vorgespannten Druckfeder 21.
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Der
Hülsenkörper K ist
stationär
in der Gehäusekappe 9 positioniert,
beispielsweise durch einen ersten Anschlag A1 (einen Sicherungsring)
und einen Unterlegring 17. Der erste Anschlag A1 fängt auch
das erste Federwiderlager W1 in Verstellrichtung in 1 nach
oben ab. Am Grund der Gehäusekappe 9 ist
ein zweiter Anschlag A2 vorgesehen, an dem das zweite Federwiderlager
W2 in Verstellrichtung in 1 nach unten
abgefangen wird. Beide Federwiderlager W1, W2 sind auf einem durchmesserverringerten
Bewegungsabschnitt 22 der Hülse H angeordnet, wobei die
Spannschraube 15 mit der Unterlegscheibe 16 sowie
eine Schulter der Hülse
H Mitnehmeranschläge
A3, A4 für
die beiden Federwiderlager W1, W2 bilden und den Bewegungsabschnitt 22 in
axialer Richtung begrenzen.
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In 1 befindet
sich der Schieberkolben 2 in einer vorbestimmten ersten
Hubwegstellung, beispielsweise einer Mittellage (einer Grundstellung oder
Neutralstellung). Diese erste Hubwegstellung wird durch die Federanordnung
F eingestellt, weil die Druckfeder 21 die beiden Federwiderlager
W1, W2 gegen die ersten und zweiten Anschläge A1, A2 und gegen die beiden
Mitnehmeranschläge
A3, A4 presst. Die Rastglieder G liegen mit geringem Anlagedruck,
oder gegebenenfalls relativ kraftlos, in der Mitte der zylindrischen
Einschnürung 18 an.
In der Kammer 8 herrscht kein oder nur geringer Verstelldruck.
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Um
den Schieberkolben 2 aus der gezeigten ersten Hubwegstellung
in einer zweite, vorbestimmte Hubwegstellung nach oben zu verstellen,
wird in der Kammer 8 Verstelldruck aufgebaut, der auf der
Querschnittsfläche
des Schieberkolbens 2 wirkt (dem Innenquerschnitt des Hülsenkörpers K).
Der Schieberkolben wird nach oben verschoben, bis die Rastglieder
G in die Rastvertiefung N2 einrasten. Dabei wird das zweite Federwiderlager
W2 vom zweiten Anschlag A2 abgehoben, während das erste Federwiderlager
W1 am ersten Anschlag A1 abgefangen bleibt und auf dem Bewegungsabschnitt 22 gleitet. Die
Druckfeder 21 wird zunehmend komprimiert. Die Verstellkraft
des Schieberkolbens 2 wächst
entsprechend der Federrate der Druckfeder 21, und bei Annäherung der
Rastvertiefung N2 an die Rastglieder G auch etwas beeinflusst durch
den Reibungswiderstand der Rastglieder G an der unteren Rampe 19, bis
die Rastglieder G schließlich
in der Rastvertiefung N2 einrasten. Die Haltekraft der eingerasteten
Rastglieder G ist höher
als die Kraft der Federanordnung in dieser Hubwegstellung des Schieberkolbens 2. Durch
Einstellen des Verstelldrucks auf einen Wert, der z.B. etwas größer ist
als die Haltekraft der Rastvorrichtung R, wird der Schieberkolben 2 zuverlässig in
diese verrastete und ausgelenkte Hubwegstellung gebracht. Dann kann
der hydraulische Verstelldruck in der Kammer 8 abgebaut
werden. Der Schieberkolben 2 bleibt in der zweiten Hubwegstellung.
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Um
den Schieberkolben 2 wieder in die gezeigte erste Hubwegstellung
zurückzuführen, wird beim
anderen Ende des Schieberkolbens 2 ein entsprechender Verstelldruck
eingesteuert. Hierbei genügt
ein kurzer Druckimpuls mit einer Stärke gerade größer als
die Haltekraft der Rastvorrichtung R, um die Rastglieder G aus der
Rastvertiefung N2 zu lösen.
Zum Rückstellen
des Schieberkolbens 2 bis in die gezeigte Lage ist kein
hydraulischer Verstelldruck unbedingt erforderlich, weil die Federanordnung
F wirksam wird, und auch die Rampe 19 mithilft.
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Um
den Schieberkolben 2 in die dritte vorbestimmte und ausgelenkte
sowie verrastete Hubwegstellung zu bringen (Einrasten der Rastglieder
G in die Rastvertiefung N1) wird entsprechend auf das in 1 oben
liegende Ende des Schieberkolbens hydraulischer Verstelldruck ausgeübt.
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Wahlweise
kann auch die mechanische Verstellvorrichtung M benutzt werden.
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Da
beim Verstellen des Schieberkolbens 2, z.B. bei hydraulischer
Verstellung, durch die Federanordnung F und die Rastvorrichtung
R relativ genau vorherbestimmbare oder ermittelbare Kraftverhältnisse
bzw. Kraftprofile mit durchaus nennenswerten Kräften gegeben sind, spielen
andere Einflüsse (Temperatur,
Verschleiß,
Einbaulage, Erschütterungen,
und dgl.) für
den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens bei der Verstellkraft
allenfalls eine untergeordnete Rolle. Die hydraulisch aufzubringende
Verstellkraft lässt
sich genau steuern, um den Schieberkolben mit gewünschter
Geschwindigkeit und genau in die gewünschte Hubwegstellung zu bringen.
Die hydrauli sche Verstellkraft lässt
sich besonders zweckmäßig mit
Hilfe eines Proportionalmagneten einstellen. Zum Rückstellen
des Kolbenschiebers ist nur ein Verstellkraftimpuls erforderlich,
um die Verrastung zu lösen,
ehe die Federanordnung die weitere Rückstellung übernimmt.