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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Kraftrückkoppelungssitzventil,
und insbesondere auf ein bidirektionales Kraftrückkoppelungssitzventil.
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Hintergrund
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Bau-
und Landwirtschaftsmaschinen haben mehrere bewegbare Glieder, die
Hydraulikstrukturen einsetzen, welche einen Hydraulikzylinder- und
eine Kolbenanordnung aufweisen. Diese Strukturen können
durch ein oder mehrere Sitzventile gesteuert werden, die den Fluss
eines Hydraulikströmungsmittels zu diesen Strukturen steuern.
Einige Sitzventile weisen eine Steuerkammer auf, die mit einem Einlassanschluss
durch eine Einlass- bzw. Einflusszumessöffnung und mit
einem Auslassanschluss durch eine Auslass- bzw. Ausflusszumessöffnung
verbunden ist. Das Öffnen des Sitzventils wird durch das
Steuern des Strömungsmittelflusses durch die Auslasszumessöffnung
gesteuert, um den Steuerdruck in der Steuerkammer zu reduzieren,
so dass der Einlassdruck ein Sitzelement des Sitzventils von einem
Ventilsitz wegdrückt, wenn der Steuerdruck unter den Einlassdruck
im Einlassanschluss fällt. Die Auslasszumessöffnung
wird durch ein Vorsteuerventil gesteuert, welches selektiv geöffnet
werden kann, und zwar durch Anlegen eines elektrischen Stroms an eine
Betätigungsvorrichtung, die mit dem Vorsteuerventil verbunden
ist.
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Eines
der Probleme, das mit solchen Sitzventilkonstruktionen assoziiert
ist, ist, dass das Sitzventil nur geöffnet werden kann,
wenn der Druck im Einlassanschluss höher ist als der Druck
im Auslassanschluss. Wenn der Druck im Auslassanschluss höher
ist als der Druck im Einlassanschluss, kann das Sitzventil nicht
geöffnet werden. Es ist wünschenswert ein Sitzventil
zu haben, dass in beiden Situationen geöffnet werden kann.
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Das
US-Patent 6 328 275 (das
'275-Patent), das an Yang und Andere erteilt wurde, offenbart ein vorsteuerbetriebenes
Sitzventil, um einen bidirektionalen Fluss von Strömungsmittel
zwischen zwei Anschlüssen zu steuern. Das Sitzventil, das
in dem '275-Patent offenbart ist, weist einen ersten Durchlass auf,
der sich zwischen einer Steuerkammer und einem ersten Anschluss
erstreckt. Ein Rückschlagventil gestattet Strömungsmittel
durch den ersten Durchlass nur in die Richtung von dem ersten Anschluss
zur Steuerkammer zu fließen. Ein zweiter Durchlass erstreckt
sich zwischen der Steuerkammer und dem zweiten Anschluss. Ein weiteres
Rückschlagventil gestattet, dass Strömungsmittel
von dem zweiten Durchlass nur in die Richtung vom zweiten Anschluss
zur Steuerkammer fließt.
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Das
System des '275-Patentes kann ein bidirektionales vorsteuerbetriebenes
Steuerventil vorsehen, aber das System des '275-Patentes setzt einen direkten
Rückkoppelungsmechanismus ein, in welchem die maximale Öffnung
des Sitzventils durch die Bewegung des Vorsteuersitzelementes eingeschränkt
wird.
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Das
offenbarte System ist darauf gerichtet, eines oder mehrerer der
oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Kraftrückkoppelungssitzventil
gerichtet. Das Kraftrückkoppelungssitzventil kann einen Ventilkörper
aufweisen, der eine Hauptkammer aufweist, die einen ersten Anschluss
und einen zweiten Anschluss hat, und ein Hauptventilsitzelement,
das in der Hauptkammer angeordnet ist. Das Hauptventilsitzelement
kann zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position
verschiebbar sein, um einen Strömungsmittelfluss zwischen
dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu steuern, und kann
eine erste Oberfläche aufweisen, die eine Steuerkammer
in der Hauptkammer bildet. Das Kraftrückkoppelungssitzventil
kann weiter einen ersten Durchlass aufweisen, der die Steuerkammer
mit dem ersten Anschluss verbindet, und einen zweiten Durchlass,
der die Steuerkammer mit dem zweiten Anschluss verbindet. Der erste
Durchlass kann ein Rückschlagventil darin aufweisen, wo durch
Strömungsmittel gestattet wird, vom ersten Anschluss zur Steuerkammer
zu fließen, und der zweite Durchlass kann ein Rückschlagventil
aufweisen, wodurch Strömungsmittel gestattet wird, vom
zweiten Anschluss zur Steuerkammer zu fließen. Das Kraftrückkoppelungssitzventil
kann weiter ein Vorsteuerventil aufweisen, das ein Vorsteuerventilsitzelement
aufweist, und zwar zum Steuern eines Strömungsmittelflusses zwischen
der Steuerkammer und dem ersten Anschluss durch einen dritten Durchlass,
und zum Steuern eines Strömungsmittelflusses zwischen der
Steuerkammer und dem zweiten Anschluss durch einen vierten Durchlass.
Das Kraftrückkoppelungsventil kann weiter eine Rückkoppelungsfeder
aufweisen, die zwischen dem Hauptventilsitzelement und dem Vorsteuerventilsitzelement
angeschlossen ist, um eine Rückkoppelungskraft relativ
zu einer Distanz zwischen dem Hauptsitzelement und dem Vorsteuersitzelement
vorzusehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zum Steuern einer Strömungsmittelverbindung zwischen einem ersten
Anschluss und einem zweiten Anschluss gerichtet, die durch eine
Hauptkammer definiert werden, wobei die Hauptkammer ein Hauptventilsitzelement
aufweist, das verschiebbar in der Hauptkammer aufgenommen ist. Das
Hauptventilsitzelement kann angepasst werden, um die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss in einer
geschlossenen Position zu blockieren, und um die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss in einer
offenen Position zuzulassen. Das Hauptventilsitzelement kann eine
erste Oberfläche haben, die eine Steuerkammer in der Hauptkammer
bildet. Das Verfahren kann das Öffnen eines Vorsteuerventils
aufweisen, um einen Fluss von Strömungsmittel von der Steuerkammer
zu entweder dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss zuzulassen,
je nachdem welcher einen niedrigeren Druck aufweist. Das Verfahren
kann weiter aufweisen, einen Fluss von Strömungsmittel
von entweder dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss, je
nachdem welcher einen höheren Druck aufweist, zu der Steuerkammer
zu leiten. Wenn die kombinierte Kraft, die auf das Hauptsitzelement
in Ventilöffnungsrichtung wirkt, größer
ist als die kombinierte Kraft, die auf das Hauptsitzelement in der
Ventilschließrichtung wirkt, kann das Hauptsitzelement
in die Ventilöffnungsrichtung bewegt werden, um eine Strömungsmittelver bindung
zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu gestatten. Das
Verfahren kann auch das Aufbringen einer Kraft relativ zu einer
Distanz zwischen dem Hauptsitzelement und dem Vorsteuerventil aufweisen,
um das Vorsteuerventil zu schließen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Schnittansicht eines beispielhaften Kraftrückkoppelungssitzventils
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung;
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2 ist
eine Schnittansicht eines beispielhaften Kraftrückkoppelungssitzventils
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Offenbarung;
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3 ist
eine Schnittansicht eines beispielhaften Kraftrückkoppelungssitzventils
gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Offenbarung;
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4 ist
eine Schnittansicht eines beispielhaften Kraftrückkoppelungssitzventils
gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Offenbarung; und
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5 ist
eine Diagrammansicht eines beispielhaften Nadelventils gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht
ein beispielhaftes Kraftrückkoppelungssitzventil 10.
Das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 kann einen
Ventilkörper 12 aufweisen, der eine Hauptkammer 14 hat.
Die Hauptkammer 14 kann einen ersten Anschluss 16 an
einer Seitenwand der Hauptkammer 14 aufweisen und einen
zweiten Anschluss 18 an einem unteren Ende der Hauptkammer 14.
Das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 kann ein
Hauptsitzelement 20 aufweisen, das verschiebbar in der
Hauptkammer 14 angeordnet ist. Das Hauptsitzelement 20 kann
einen ersten Endabschnitt 20A aufweisen, einen zweiten
Endabschnitt 20B und einen mittleren Abschnitt bzw. Mittelabschnitt 20C,
der den erste Endabschnitt 20A mit dem zweiten Endabschnitt 20B verbindet.
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Der
erste Endabschnitt 20A des Hauptsitzelementes 20 kann
eine Oberseite 28 (eine erste Oberfläche) aufweisen,
die eine Steuerkammer 30 mit den inneren Wänden
der Hauptkammer 14 bildet. Die Oberseite 28 kann
einen effektiven Oberflächenflächenwert Ac haben,
der dem Strömungsmittel in der Steuerkammer 30 ausgesetzt
ist. Der erste Endabschnitt 20A des Hauptsitzelementes 20 kann auch
eine Unterseite 32 (eine zweite Oberfläche) aufweisen,
die so ausgelegt ist, dass sie in Kontakt mit dem Strömungsmittel
ist, das in den ersten Anschluss 16 aufgenommen wird. Das
Hauptsitzelement 20 kann weiter einen ersten Dichtungsring 34 aufweisen,
der an den Seitenwänden des Hauptsitzelementes 20 befestigt
ist, um zu verhindern, dass Strömungsmittel von einer Stelle
zwischen der Steuerkammer 30 und dem ersten Anschluss 16 entlang der
Seitenwände des Hauptsitzelementes 20 leckt.
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Der
zweite Endabschnitt 20B kann einen Endoberfläche 24 (eine
dritte Oberfläche) und eine Sitzoberfläche 26 aufweisen.
Die Sitzoberfläche 26 kann konisch sein, wie in 1 gezeigt,
oder kann jegliche andere geeignete Form haben. Die Oberseite 28 des
Hauptsitzelementes 20, die dem Strömungsmittel
in der Steuerkammer 30 ausgesetzt ist, kann eine effektive
Oberflächenfläche Ac haben. Die Fläche
der Endoberfläche 24 und die Fläche der Sitzoberfläche 26,
die dem Strömungsmittel im zweiten Anschluss 18 ausgesetzt
sind, können einen effektiven Oberflächenflächenwert
A2 haben. Eine effektive Oberflächenfläche A1
auf der Unterseite 32 kann definiert werden als A1 = Ac – A2.
In einem Ausführungsbeispiel ist die effektive Oberflächenfläche A1
im Wesentlichen gleich der effektiven Oberflächenfläche
A2; und die Oberflächenfläche Ac der Oberseite 28 des
Hauptsitzelementes 20 ist gleich der effektiven Oberflächenfläche
A1 plus der effektiven Oberflächenfläche A2 (Ac
= A1 + A2 = 2A1 = 2A2). Die Sitzoberfläche 26 kann
so ausgelegt sein, dass sie in dichtendem Eingriff mit einem Ventilsitz 22 des
zweiten Anschlusses 18 ist, wenn das Hauptsitzelement 20 in
einer geschlossenen Position ist, und kann daher eine Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18 blockieren.
Wenn die Sitzoberfläche 26 von dem Ventilsitz 22 wegbewegt
wird, kann Strömungsmittel zwischen dem ersten Anschluss 16 und dem
zweiten Anschluss 18 durch eine Auslasszumessöffnung 113 fließen.
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Ein
erster Durchlass 40 kann sich von dem ersten Anschluss 16 zur
Steuerkammer 30 erstrecken. Der erste Durchlass 40 kann
ein Rückschlagventil 42 aufweisen, das zulässt,
dass Strömungsmittel nur von dem ersten Anschluss 16 zur
Steuerkammer 30 fließt. Der erste Durchlass 40 kann
auch eine Einlasszumessöffnung 44 aufweisen, um
den Fluss des Strömungsmittels in den ersten Durchlass 40 einzuschränken.
Ein zweiter Durchlass 50 kann sich von dem ersten Anschluss 18 zur
Steuerkammer 30 erstrecken. Der zweite Durchlass 50 kann
ein Rückschlagventil 52 aufweisen, das zulässt,
dass Strömungsmittel nur von dem zweiten Anschluss 18 zur Steuerkammer 30 fließt.
Der zweite Durchlass 50 kann auch eine Einlasszumessöffnung 54 aufweisen, um
den Fluss des Strömungsmittels in den zweiten Durchlass 50 einzuschränken.
Der erste Durchlass 40 und der zweite Durchlass 50 können
in dem Hauptsitzelement 20 geformt sein (wie in 1 gezeigt)
oder können in dem Ventilkörper 12 geformt sein
(nicht gezeigt). Die oben beschriebenen Zumessöffnungen 44, 54 können
eine variable Zumessöffnung oder eine feste Zumessöffnung
sein.
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Wie
in 1 gezeigt, kann das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 weiter
ein Vorsteuerventil 80 aufweisen. Das Vorsteuerventil 80 kann
ein Vorsteuersitzelement 82 aufweisen, das verschiebbar
in einer Bohrung 84 angeordnet ist, die in dem Vorsteuerventil 80 definiert
ist. Das Vorsteuersitzelement 82 kann einen Ventilsitzteil 86 an
einem unteren Ende des Vorsteuersitzelementes 82 aufweisen.
Ein Ventilsitz 88 kann an einem unteren Ende der Bohrung 84 geformt
sein, um den Ventilsitzteil 86 des Vorsteuersitzelementes 82 aufzunehmen.
Der Ventilsitzteil 86 kann ausgelegt sein, um in dichtendem
Eingriff mit dem Ventilsitz 88 zu sein. Eine Rückkoppelungsdruckfeder 90 kann
zwischen dem Hauptsitzelement 20 und dem Vorsteuersitzelement 82 angeschlossen sein.
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Wie
in 1 gezeigt, kann das Vorsteuersitzelement 82 eine
ringförmige Kammer 110 aufweisen, die an den Seitenwänden
des Vorsteuersitzelementes 82 definiert ist. Ein dritter
Durchlass 96, der in dem Ventilkörper 12 geformt
ist, kann sich vom ersten Anschluss 16 zur ringförmigen
Kammer 110 erstrecken. Der dritte Durchlass 96 kann
ein drittes Rückschlagventil 98 in dem dritten
Durchlass 96 aufwei sen, was zulassen kann, dass das Strömungsmittel
nur von der ringförmigen Kammer 110 zum ersten Anschluss 16 fließt.
Ein vierter Durchlass 102, der in dem Ventilkörper 12 geformt
ist, kann sich vom zweiten Anschluss 18 zur ringförmigen
Kammer 110 erstrecken. Der vierte Durchlass 102 kann
ein viertes Rückschlagventil 104 im vierten Durchlass 102 aufweisen,
welches zulassen kann, dass Strömungsmittel nur von der
ringförmigen Kammer 110 zum zweiten Anschluss 18 fließt.
Wenn das Vorsteuersitzelement 82 in einer geschlossenen
Position ist (der Ventilsitzteil 86 des Vorsteuersitzelementes 82 ist
dichtend in den Ventilsitz 88 aufgenommen), dann ist eine Strömungsmittelverbindung
zwischen der Steuerkammer 30 und der ringförmigen
Kammer 110 blockiert. Wenn das Vorsteuersitzelement 82 in
einer offenen Position ist, ist die ringförmige Kammer 110 strömungsmittelmäßig
mit der Steuerkammer 30 durch eine Auslasszumessöffnung 111 verbunden.
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Wie
in 1 gezeigt, kann das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 weiter
eine Betätigungsvorrichtung 120 zur Steuerung
des Vorsteuerventils 80 aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Betätigungsvorrichtung 120 eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtung
sein, die eine Elektromagnetspule 122 und einen Anker 124 aufweist.
Die Elektromagnetspule 122 kann um eine Patrone oder ein
Gehäuse 126 herum angeordnet sein und daran gesichert sein.
Der Anker 124 kann in einem Rohr 128 positioniert
sein, das innerhalb der Patrone 126 definiert ist. Der
Anker 124 kann ausgelegt sein, um eine abwärts gerichtete
Kraft auszuüben, um das Vorsteuersitzelement 82 zu
bewegen. Wenn der elektrische Strom an die Elektromagnetspule 122 angelegt
wird, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, und ansprechend darauf
verschiebt sich der Anker 124 in dem Patronenrohr 128 in
Richtung des Vorsteuersitzelementes 82. Der Anker 124 kann
eine Kraft auf das Vorsteuersitzelement 82 ausüben,
um es in Richtung des Hauptsitzelementes 20 zu bewegen.
Dies führt dazu, dass das Vorsteuersitzelement 82 vom
Ventilsitz 88 wegbewegt wird und dadurch wird eine Strömungsmittelverbindung
zwischen der Steuerkammer 30 und der ringförmigen
Kammer 110 geöffnet. Wenn die Betätigungsvorrichtung 120 deaktiviert
ist, spannt die Rückkopplungsfeder 90 das Vorsteuersitzelement 82 in
Richtung des Ventilsitzes 88 hin vor, was das untere Ende
der Bohrung 84 abschließt. In dieser Situation
gibt es keinen Strömungsmittelfluss zwischen der ringförmigen
Kammer 110 und der Steuerkammer 30. Das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 kann
weiter eine Stabilisierungsfeder 160 aufweisen, die an
ein oberes Ende des Vorsteuersitzelementes 82 gekoppelt
ist, um die Kraft, die durch die Rückkoppelungsfeder 90 auf
das Vorsteuersitzelement 82 aufgebracht wird, vorzuspannen.
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Wie
in 1 gezeigt, kann das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 eine
Ankerkammer 138 am oberen Ende des Vorsteuersitzelementes 82 aufweisen. Das
Vorsteuersitzelement 82 kann einen Vorsteuerdurchlass 130 aufweisen,
der eine erste Öffnung 132 an einem Ende hat,
die mit der Steuerkammer 30 verbunden ist, und eine zweite Öffnung 134 am
anderen Ende hat, die mit der Ankerkammer 138 verbunden ist.
Das Kraftrückkoppelungssitzventil 10 kann weiter ein
Nadelventil 136 aufweisen. Das Nadelventil 136 ist
ausgelegt, um gezielt die zweite Öffnung 134 des Vorsteuerdurchlasses 130 zu öffnen,
wenn das Nadelventil 136 vom Anker 124 nach unten
gedrückt wird. In einem Ausführungsbeispiel kann
die zweite Öffnung 134 eine relativ kleine Öffnung
bzw. ein relativ kleiner Durchlass sein.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel wie in 2 gezeigt,
können die ersten und zweiten Durchlässe 40 und 50,
die sich in die Steuerkammer 30 erstrecken, mit der Steuerkammer 30 durch
einen gemeinsamen Teil (der als ein gemeinsamer Durchlass 60 bezeichnet
wird) verbunden sein. Der erste Durchlass 40 und der zweite
Durchlass 50 können eine gemeinsame Einlasszumessöffnung 62 besitzen.
Der dritte Durchlass 96 und der vierte Durchlass 102,
die sich in die ringförmige Kammer 110 erstrecken,
können einen gemeinsamen Durchlass 112 und ein
gemeinsames Rückschlagventil 106 an der Schnittstelle
des dritten Durchlasses 96 und des vierten Durchlasses 102 haben.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, das
in 3 gezeigt ist, können der erste Durchlass 40 und
der zweite Durchlass 50, die sich in die Steuerkammer 30 erstrecken,
einen gemeinsamen Durchlass 60' haben, eine gemeinsame
Einlasszumessöffnung 62' und ein gemeinsames Rückschlagventil 64 an
der Schnittstelle des ersten Durchlasses 40, des zweiten
Durchlasses 50 und des gemeinsamen Durchlasses 60'.
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Die
gemeinsame Einlasszumessöffnung 62 oder 62' kann
eine feste Zumessöffnung oder eine variable Zumessöffnung
sein. Die variable Zumessöffnung kann ihren Öffnungsquerschnitt
als Funktion eines Differenzdruckes verändern, was das
Steuern eines Einlassflusses zur Steuerkammer 30 gestattet, wenn
das Hauptsitzelement 20 in einer offenen Position ist.
Der Öffnungsquerschnitt der Zumessöffnung kann
bei einer geringen Druckdifferenz größer sein, was
es dem Hauptsitzelement 20 gestattet in Schließrichtung
bei einer niedrigen Druckdifferenz anzusprechen. In dem in 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel kann die variable Zumessöffnung 62 eine
Flussregelvorrichtung 150 sein. Die Flussregelvorrichtung 150 kann
den Einlassfluss im Wesentlichen konstant halten, und kann somit
eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit des Hauptsitzelementes 20 aufrecht
erhalten.
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5 zeigt
eine vergrößerte Ansicht des Nadelventils 136.
Wie in 5 gezeigt, gibt es, wenn die Betätigungsvorrichtung 120 deaktiviert
ist und der Anker 124 in einer freigegebenen Position ist,
einen Spalt G zwischen einer Oberseite 140 des Vorsteuersitzelementes 82 und
einer Unterseite 142 des Ankers 124. Die Oberseite 140 des
Vorsteuersitzelementes 82 weist die Öffnung 134 auf,
die den Durchlass 130 strömungsmittelmäßig
mit der Ankerkammer 138 verbindet. Es kann einen Leckagepfad
von der Steuerkammer 30 zur Ankerkammer 138 durch den
Vorsteuerdurchlass 130 geben, und von der Ankerkammer 138 zur
ringförmigen Kammer 110 entlang der Seitenwände
des Vorsteuersitzelementes 82 des Vorsteuerventils 80.
Das Nadelventil 136 kann eine konische Spitze 144 aufweisen,
die ausgelegt ist, um gezielt die Öffnung 134 des
Vorsteuerdurchlasses 130 zu öffnen und zu schließen.
Die konische Spitze 144 kann an einem elastischen Glied 146 angebracht
sein. Das elastische Glied 146 kann eine Blattfeder oder
eine Schraubenfeder sein und ist ausgelegt, um die konische Spitze 144 gegen
die Öffnung 134 vorzuspannen, um die Öffnung 134 abzudichten.
Wenn sie in einer geschlossenen Position ist, kann sich die konische
Spitze 144 durch die Öffnung 134 bis
zu einem Punkt über der Oberseite 140 des Vorsteuersitzelementes 82 erstrecken,
und kann die Öffnung 134 abdichten, und kann daher
eine unerwünschte Leckage entlang des Leckagepfades verhindern.
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Wenn
ein kleiner Strom an die Elektromagnetspule 122 angelegt
wird, wird der Anker 124 nach unten gedrückt,
um die konische Spitze 144 nach unten zu bewegen, um die Öffnung 134 zu öffnen,
so dass Strömungsmittel von der Steuerkammer 30 durch
den Durchlass 130 aus der Öffnung 134 zur Ankerkammer 138 fließen
kann, was dazu führt, dass der Druck auf dem oberen Ende
des Vorsteuersitzelementes 82, das der Ankerkammer 138 ausgesetzt ist,
im Wesentlichen gleich dem Druck auf dem unteren Ende des Vorsteuersitzelementes 82 ist,
das der Steuerkammer 30 ausgesetzt ist. Dadurch, dass man einen
ausgeglichenen Druckes auf dem oberen Ende und dem unteren Ende
des Vorsteuersitzelementes 82 hat, wird nur eine kleine
Kraft benötigt, um das Vorsteuerventil 80 zu öffnen.
Wenn der elektrische Strom in der Spule 122 ansteigt, bewegt
sich der Anker 124 nach unten, um das Vorsteuersitzelement 82 in
Richtung des Hauptsitzelementes 20 zu drücken, um
das Vorsteuerventil 80 zu öffnen, um zuzulassen, dass
das Strömungsmittel von der Steuerkammer 30 zur
ringförmigen Kammer 110 fließt, und dann
durch die ringförmige Kammer 110 zu den dritten
und vierten Durchlässen 96 und 102. Die Öffnung 134 und das
Nadelventil 136 können so bemessen sein, dass sie
das Folgende gestatten: mit einem Erhöhen des Spulenbetätigungsstroms
kann der Anker 124 die konische Spitze 144 zuerst
gegen einen Systemdruck nach unten drücken, und daraus
folgend das Vorsteuersitzelement 82 allmählich
nach unten bewegen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Öffnung 134 relativ
groß sein und kann immer noch das Öffnen gegen
einen maximalen Systemdruck zulassen, kann jedoch eine spezielle Öffnungsstromstrategie
erfordern, um eine allmähliche Öffnung des Vorsteuersitzelementes 82 zu
ermöglichen. Der Strom muss möglicherweise direkt
nach dem Öffnen des Nadelventils 136 reduziert
werden, um den gesamten Öffnungsmodulationsbereich des
Vorsteuersitzelementes 82 zu verwenden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Kraftrückkoppelungssitzventil kann auf eine
beliebige Strömungsmittelbetätigungsvorrichtung
anwendbar sein, in der eine präzise Steuerung des Druckes
und/oder des Strömungsmittelflusses erwünscht
ist, der mit der Betätigungsvorrichtung assoziiert ist.
Das offenbarte Ventil kann eine stark ansprechende Druckregelung
vorsehen, die eine gleichmäßige, vorhersagbare
Betätigungsvorrichtungsleistung in einer einfachen Konfiguration
zu geringen Kosten zur Folge hat. Der Betrieb des Kraftrückkoppelungssitzventils 10 wird
nun erklärt.
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Die
normale Verwendung des Kraftrückkoppelungssitzventils 10 ist
das Steuern eines Strömungsmittelfluss zwischen dem ersten
Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18. Ein
Beispiel einer solchen Verwendung, die in 1 gezeigt
ist, weist auf, dass der erste Anschluss 16 oder der zweite
Anschluss 18 mit einer ersten Druckquelle 202 verbunden
sind, und dass der andere Anschluss mit einer zweiten Druckquelle 204 verbunden
ist, um den Fluss des unter Druck gesetzten Strömungsmittels
von der ersten Druckquelle 202 oder der zweiten Druckquelle 204 zu
steuern, welche einen höheren Strömungsmitteldruck
hat als die andere Druckquelle, die einen niedrigeren Strömungsmitteldruck
hat. in einem Ausführungsbeispiel ist entweder der erste
Anschluss 16 oder der zweite Anschluss 18 mit
einer Pumpe verbunden, der andere Anschluss ist mit einer hydraulischen
Betätigungsvorrichtung verbunden. Ein weiteres Beispiel
wäre es, entweder den ersten Anschluss 16 oder
den zweiten, Anschluss 18 mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung
zu verbinden, und den anderen Anschluss mit einer Niederdruckquelle oder
einem Niederdrucktank zu verbinden. Die hydraulische Betätigungsvorrichtung
kann beispielsweise ein Zylinder oder ein Strömungsmittelmotor sein.
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Das
Hauptsitzelement 20 kann kontinuierlich in eine Ventilöffnungsrichtung
in Richtung des Pilotventils 80 gedrängt werden,
und zwar durch das unter Druck gesetzte Strömungsmittel,
das einen Strömungsmitteldruck P1 im ersten Anschluss 16 aufweist,
der auf die Oberfläche wirkt, die dem Strömungsmittel
im ersten Anschluss 16 ausgesetzt ist und durch das unter
Druck gesetzte Strömungsmittel mit einem Strömungsmitteldruck
P2 im zweiten Anschluss 18, der auf die Oberfläche
wirkt, die dem Strömungsmittel im zweiten Anschluss 18 ausgesetzt ist.
Das Strömungsmittel in der Steuerkammer 30 kann
einen Druck Pc aufweisen, der auf die Oberseite 28 wirkt.
Wie oben beschrieben kann die Oberseite des Hauptsitzelementes 20,
die dem Strömungsmittel in der Steuerkammer 30 ausgesetzt
ist, eine effektive Oberfläche Ac haben. Die Fläche
der Endoberfläche 24 und die Fläche der
Sitzoberfläche 26, die dem Strömungsmittel
im zweiten Anschluss 18 ausgesetzt sind, haben einen effektiven
Oberflächenflächenwert A2. Eine effektive Oberflächenfläche
A1 auf der Unterseite 32 kann definiert werden als A1 =
Ac – A2.
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In
einem Gleichgewichtszustand ist eine Ventilöffnungskraft
Fo, die in eine Richtung nach oben auf das Hauptsitzelement 20 aufgebracht
wird gleich einer Ventilschließkraft Fc, die in eine Richtung nach
unten auf das Hauptsitzelement 20 aufgebracht wird. Die
Ventilschließkraft Fc ist gleich einer Kraft Fp, die durch
den Strömungsmitteldruck Pc in der Steuerkammer 30 auf
die Oberfläche 28 aufgebracht wird kombiniert
mit einer Kraft Fs, die durch die Rückkoppelungsfeder 90 aufgebracht
wird. Die Ventilöffnungskraft Fo ist gleich einer Kraft
F1, die auf die effektive Oberflächenfläche A1
durch den Strömungsmitteldruck P1 im ersten Anschluss 16 aufgebracht wird
plus einer Kraft F2, die auf die effektive Oberflächenfläche
A2 durch den zweiten Strömungsmitteldruck P2 im zweiten
Anschluss 18 aufgebracht wird. Die Kräfte, die
auf das Hauptsitzelement 20 aufgebracht werden, können
dargestellt werden durch die folgenden Gleichungen (Reibungskräfte
und Dämpfungskräfte auf das Hauptsitzelement 20 werden
vernachlässigt): Fp = Pc·Ac; F1 = P1·A1; F2
= P2·A2; Fc = Fp + Fs; Fo = F1 + F2; und Fc =
Fo (in einem Gleichgewichtszustand).
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Eine
Strömungsmittelverbindung zwischen dem ersten Anschluss 16 und
dem zweiten Anschluss 18 kann eingeleitet werden durch
das Anlagen eines elektrischen Signals an die Spule 122 der Betätigungsvorrichtung 120,
um den Anker 124 nach unten zu bewegen, so dass eine Steuerkraft
gegen die konische Spitze 144 des Nadelventils 136 nach unten
oder in Ventilöffnungsrichtung ausgeübt wird. Die
Bewegung des Ankers 136 nach unten öffnet zu Beginn
das Nadelventil 136 und lässt zu, dass Strömungsmittel
von der Steuerkammer 30 zur Ankerkammer 138 durch
den Durchlass 130 fließt, um den Druck auf das
obere Ende und das untere Ende des Vorsteuersitzelementes 82 auszugleichen.
Wenn der elektrische Strom in der Spule 122 der Betätigungsvorrichtung 120 zunimmt,
bringt der Anker 124 eine Steuerkraft Fcp auf, um das Vorsteuersitzelement 82 in
Richtung des Hauptsitzelementes 20 zu bewegen, um das Vorsteuersitzelement 82 zu öffnen
und anschließend zuzulassen, dass das Strömungsmittel von
der Steuerkammer 30 zur ringförmigen Kammer 110 durch
die Auslasszumessöffnung 111 fließt. Dann
kann das Strömungsmittel von der ringförmigen
Kammer 110 zum ersten Anschluss 16 oder zum zweiten
Anschluss 18 fließen, je nachdem welcher einen
niedrigeren Druck aufweist.
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In
einer Situation, in der der Druck P1 in dem ersten Anschluss 16 größer
ist als der Druck P2 in dem zweiten Anschluss 18, ist der
Druck Pc in der Steuerkammer 30 geringer als der Druck
P1 im ersten Anschluss 16 und größer
als der Druck P2 im zweiten Anschluss 18, und das Strömungsmittel kann
vom ersten Anschluss 16 zur Steuerkammer 30 durch
den ersten Durchlass 40 fließen. In einer Situation,
in der P2 größer ist als P1, ist der Druck Pc
in der Steuerkammer 30 größer als P1
aber niedriger als P2, und das Strömungsmittel kann vom
zweiten Anschluss 18 zur Steuerkammer 30 durch
den zweiten Durchlass 50 fließen. Der Durchmesser
der Einlasszumessöffnung 44 im ersten Durchlass 40 und der
Einlasszumessöffnung 54 im zweiten Durchlass 50 kann
vorbestimmt sein, um eine erwünschte Ansprechzeit des Hauptsitzelementes 20 vorzusehen.
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Wenn
die kombinierte nach oben gerichtete Kraft, die auf das Hauptsitzelement 20 durch
den Druck im ersten Anschluss 16 und den Druck im zweiten
Anschluss 18 wirkt, größer ist als die
kombinierte nach unten gerichteten Kraft, die auf das Hauptsitzelement 20 durch
den Druck in der Steuerkammer 30 und durch die Rückkoppelungsfeder 90 wirkt,
dann kann das Hauptsitzelement 20 nach oben in eine Ventilöffnungsrichtung
gedrückt werden, um anfangs die Sitzoberfläche 26 vom
Ventilsitz 22 wegzubewegen und nachfolgend kann eine Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18 aufgebaut
werden. Die nach oben gerichtete Bewegung des Hauptsitzelementes 20 in
Ventilöffnungsrichtung drückt die Rückkoppelungsfeder 90 zusammen,
was eine Rückkoppelungskraft Fsp gegen das Vorsteuersitzelement 82 ausübt,
um gegen die Steuerkraft Fcp zu wirken, die durch den elektrischen
Strom in der Spule 122 verursacht wird. Die Rückkoppelungsfeder 90 bringt
auch die Kraft Fs auf, welche gleich der Kraft Fsp ist, und zwar
gegen die Oberseite 28 des Hauptsitzelementes 20.
Während der Aufwärtsbewegung des Hauptsitzelementes 20 wird
die Kompression der Rückkoppelungsfeder 90 erhöht,
bis das Vorsteuersitzelement 82 ausgeglichen ist.
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Die
Rückkoppelungskraft Fsp, die durch die Rückkoppelungsfeder 90 auf
das Vorsteuersitzelement 82 aufgebracht wird, kann während
der Aufwärtsbewegung des Hauptsitzelementes 20 weiter ansteigen.
Wenn das Vorsteuersitzelement 82 einen Gleichgewichtszustand
erreicht, ist die Rückkoppelungskraft Fsp gleich der Steuerkraft
Fcp auf das Vorsteuersitzelement 82. In dieser Situation
ist die Verschiebung des Hauptsitzelementes 20 proportional zum
Niveau der Steuerkraft Fcp, die durch den Anker 124 auf
das Vorsteuerventil 80 ausgeübt wird. Eine solche
Verschiebung des Hauptsitzelementes 20 und der Öffnungsgrad
des Ventils, der durch das Hauptsitzelement 20 gesteuert
wird, können durch Steuern des elektrischen Stroms, der
an die Betätigungsvorrichtung 20 angelegt wird,
variiert werden. Eine neue Position des Hauptsitzelementes 20 kann
erreicht werden durch Erhöhen oder Verringern des elektrischen
Stroms, der an die Elektromagnetspule 122 angelegt wird.
Ein vollständiges Wegnehmen bzw. Abschalten des elektrischen
Stroms führt dazu, dass sich das Vorsteuersitzelement 82 in
eine geschlossene Position bewegt. Wenn der Strömungsmitteldruck im
ersten Anschluss 16 oder dem zweiten Anschluss 18 abnimmt,
was dazu führen kann, dass die kombinierte Aufwärtskraft,
die auf das Hauptsitzelement 20 durch den Druck im ersten
Anschluss 16 und den Druck im zweiten Anschluss 18 wirkt
kleiner ist als die kombinierte Abwärtskraft, die auf das
Hauptsitzelement 20 durch den Druck in der Steuerkammer 30 und
die Rückkoppelungsfeder 90 wirkt, dann kann das
Hauptsitzelement 20 zurück in eine geschlossene
Position bewegt werden, was die Strömungsmittelverbindung
zwischen dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18 blockiert.
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In
einer Situation, in der der Druck P2 im zweiten Anschluss 18 größer
ist als der Druck P1 im ersten Anschluss 16, kann ein ähnlicher
Prozess auftreten, außer dass das Strömungsmittel
in eine umgekehrte Richtung fließen kann. In dieser Situation kann
das Strömungsmittel in der Steuerkammer 30 zum
ersten Anschluss 16 fließen, und der Strömungsmitteldruck
Pc in der Steuerkammer 30 kann verringert werden. Wie zuvor
beschrieben kann das Reduzieren des Strömungsmitteldruckes
Pc in der Steuerkammer 30 die Ventilschließkraft
Fc verringern, die auf das Hauptsitzelement 20 ausgeübt
wird, und schließlich wird die Ventilöffnungskraft
Fo größer als die Ventilschließkraft
Fc, was bewirkt, dass sich das Hauptsitzelement 20 nach
oben bewegt, um die Strömungsmittelverbindung zwischen
dem ersten Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18 zu öffnen.
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Mit
dem offenbarten Ventilsystem können mehrere Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik assoziiert sein. Das offenbarte Ventilsystem
sieht ein Kraftrückkoppelungsventil vor und lässt
bidirektionale Steuerungen des Kraftrückkoppelungsventils
zu. Darüber hinaus sieht das offenbarte Ventilsystem einen
Mechanismus vor, um zu gestatten, dass ein kleiner elektrischer
Strom verwendet wird, um das Öffnen des Kraftrückkoppelungsventils
zu steuern. Das offenbarte Ventilsystem sieht auch einen Mechanismus
für das Überwachen und Steuern des Öffnungsgrades
des Kraftrückkoppelungsventils vor.
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Es
wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene
Modifikationen und Variationen an dem Kraftrückkoppelungssitzventil
vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann durch eine Betrachtung der Beschreibung und
eine praktische Ausführung des offenbarten Kraftrückkoppelungssitzventils offensichtlich.
Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur
als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch
die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten
Ausführungen angezeigt wird.
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Zusammenfassung
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BIDIREKTIONALES KRAFTRÜCKKOPPELUNGSSITZVENTIL
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Ein
Sitzventil hat einen Ventilkörper, der eine Hauptkammer,
die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, und
ein Hauptsitzelement, das in der Hauptkammer angeordnet ist, aufweist. Das
Hauptsitzelement weist eine erste Oberfläche auf, die eine
Steuerkammer in der Hauptkammer bildet. Das Ventil hat einen ersten
Durchlass, der die Steuerkammer mit dem ersten Anschlussverbindet, und
einen zweiten Durchlass, der die Steuerkammer mit dem zweiten Anschluss
verbindet. Das Ventil weist auch ein Vorsteuerventil auf, das ein
Vorsteuersitzelement zum Steuern von Strömungsmittelfluss von
der Steuerkammer zum ersten Anschluss durch einen dritten Durchlass
bzw. zum zweiten Anschluss durch einen vierten Durchlass hat. Das
Ventil kann weiter eine Rückkoppelungsfeder aufweisen,
die zwischen dem Hauptsitzelement und dem Vorsteuersitzelement angeschlossen
ist, um eine Kraft relativ zu einer Distanz zwischen dem Hauptsteuerelement und
dem Vorsteuerelement vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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