DE1273943B

DE1273943B - Hydraulische Ventileinrichtung

Info

Publication number: DE1273943B
Application number: DE1966W0041815
Authority: DE
Inventors: Josef Frania
Original assignee: Westinghouse Bremsen und Apparatebau GmbH
Current assignee: Westinghouse Bremsen und Apparatebau GmbH
Priority date: 1966-06-18
Filing date: 1966-06-18
Publication date: 1968-07-25

Description

Hydraulische Ventileinrichtung Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventileinrichtung zur Wegsteuerung sowie zur stufenlosen, lastunabhängigen Geschwindigkeitsregelung von hydraulischen Stellmotoren, bestehend aus einem Wegeventil mit einem Steuerschieber sowie aus zwei dem Wegeventil zugeordneten Mengenventilen mit je einem Doppelkolben. Derartige Ventileinrichtungen sind zum Steuern bzw. Regeln von Stellmotoren erforderlich, welche Maschinen oder deren Teilaggregate in zwei entgegengesetzten Richtungen sowie mit steuerbarer, jeweils konstanter Geschwindigkeit zu bewegen haben, obwohl die Belastung des Stellmotors oder gar deren Wirkungsrichtung sich ändert.
Einrichtungen dieser Art sind bekannt zum Steuern großer Werkzeugmaschinen, beispielsweise des Vorschubs und Rücklaufs des Werkzeugträgers. Sie bestehen aus einem Wegeventil und je einem in jeden der beiden Rückläufe eingeschalteten, verstellbaren Mengenventil. Mit den letzteren wird die jeweils gewünschte, konstant bleibende Geschwindigkeit eingestellt. Es ergibt sich hieraus, daß jeweils zwei von drei vorhandenen Stellorganen für den Vorschub zu bedienen sind. Das können in diesem Fall die Hände des Maschinenführers nacheinander bewältigen. Außerdem besteht aber auch die Möglichkeit, beide Bedienungsvorgänge durch eine automatische Folgesteuerung vollziehen zu lassen. Demgegenüber ist diese Ventileinrichtung an anderen Arbeitsmaschinen, beispielsweise an Baggern, nicht anwendbar. Denn erstens müssen sowohl die Bewegungsrichtung wie auch die Geschwindigkeit von Baggeraggregaten, z. B. die Höhenverstellung des Auslegers, die Kübelbewegung, die Drehbewegung des Auslegergestells usw., individuell gesteuert werden können. Daher entfällt eine automatische Folgesteuerung des Mengenventils. Zweitens hat der Baggerführer zur Steuerung des jeweils zu bewegenden Aggregats nur eine Hand frei, da die zweite durch andere Steuertätigkeit besetzt ist. Mit einer Hand aber kann er unmöglich die getrennten Handhaben des Wegeventils und des Mengenventils bedienen. Aus diesen Gründen konnten bisher Ventileinrichtungen der Gattung an Baggern und anderen Arbeitsmaschinen nicht verwendet werden, obwohl ein dringendes Bedürfnis besteht. Man mußte statt dessen lediglich Wegeventile mit sogenannten Feinsteuerkanten verwenden, die den Rücklaufquerschnitt allmählich und wegabhängig ändern. Bei gleichbleibender Druckdifferenz um diesen Querschnitt bleibt auch die Rückflußmenge und damit die Bewegungsgeschwindigkeit des auf diese Weise gesteuerten Aggregats querschnittsproportional. Jedoch entstehen gefährliche Betriebslagen, wenn die Belastung des Stellmotors und damit die Druckdifferenz um den Steuerquerschnitt sich erheblich ändern. Beispielsweise möge an einen an einen Hang schräg aufwärts stehenden Bagger gedacht werden, dessen schwer belasteter Ausleger von der rechten zur linken Fahrzeugseite hinüberschwenkt, d. h. auf der rechten Seite aufsteigend, auf der linken absteigend. Dieser Fall ist in der F i g. 1 symbolisch dargestellt. Ein Kapselstellmotor 15 bewegt über seine Welle und einen Hebelarm eine Last L von rechts nach links. Der Steuerquerschnitt liegt im Rücklauf. Beim Anheben der Last aus der Stellung I in die Kulminationsstellung II sinkt das auf den konstanten Pumpendruck in der Zulaufkammer Z wirkende und rechtsdrehende Lastdrehmoment auf Null. Die Lastgeschwindigkeit nimmt infolgedessen zu, wenn der Rücklaufquerschnitt nicht kontinuierlich entsprechend verkleinert wird. Beim Weiterschwenken von der Stellung Il zur Stellung III erhöht sich das Lastdrehmoment wieder, hat aber den Drehsinn gewechselt. Es erhöht daher zunehmend den Druck in der Rücklaufkammer r, den Rücklaufstrom und somit die Lastgeschwindigkeit. In diesem Beispielsfall wird die Last auf dem Weg von I nach 111 beschleunigt, wenn der Baggerführer dem nicht durch ständiges oder mindestens mehrfaches Verkleinern des Rücklaufquerschnitts begegnet. Da er aber meist mehrere Aggregate zugleich steuert, kommt es nicht selten vor, daß zu hohe Lastgeschwindigkeiten zu spät bemerkt werden. Die Schreckreaktion ist dann das ruckartig vollständige Schließen des Rücklaufquerschnitts. Die Last wird dadurch schlagartig gestoppt, wobei durch übermäßige Beanspruchungen Materialbrüche auftreten, die unter Umständen zum Herunterfallen der bewegten Last und zu Unfällen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle geschilderten Nachteile durch eine Ventileinrichtung zu vermeiden, in der ein Wegeventil für Zu- und Rücklauf und zwei verstellbare Mengenventile in einem Gehäuse vereint und von einem einzigen Handhebel und lastunabhängig und frei von Druckschwingungen steuerbar sind.
Die Lösung sieht vor, daß die Doppelkolben der Mengenventile in koaxialen, voneinander getrennten Innenzylindern des Steuerschiebers angeordnet sind, daß der Rücklauf vom Stellmotor durch Zulaufbohrungen- in der Wand des Steuerschiebers mit einer Kolbenkammer zwischen den Doppelkolben des an sich bekannten Mengenventils in Verbindung steht, wobei die Mündungsquerschnitte der Zulaufböhrungen von einem der Doppelkolben druckregelnd veränderbar sind, und daß Ablaufbohrungen durch die Steuerschieberwand von der jeweils im Rücklauf liegenden Kolbenkammer - zum drucklosen Rücklauf führen und die Mündungsquerschnitte dieser Ablaufbohrungen mittels einer Steuerkante -des Ventilgehäuses -durch axiale Steuerbewegungen des Steuerschiebers mengenregelnd veränderbar. sind, derart, daß der Steuerschieber zugleich sowohl die Wege als auch den Rücklaufquerschnitt steuert. Weitere einzelne Lösungsmerkmale gehen aus den Ansprüchen 2 bis 5 hervor.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung dargestellt. -F i g. 1 und 2 zeigen den gleichen Mittellängsschnitt.
Während sich in F i g. 1 alle Teile in ihrer Ruheläge bei abgeschaltetem Stellmotor befinden, sind sie in F i g. 2 in einer den Stellmotor betätigenden Lage wiedergegeben.
Das Gehäuse der Ventileinrichtung besteht aus dem Schiebergehäuse 1 (F i g: 1) und den Gehäuseteilen 2, 3, 4 und 5. Ein Vierwegesteuerschieber 6 ist im Schieberzylinder 7 axial verschiebbar und wird von hinreichend bekannten Rückführfedern 8 und 9 in seiner gezeichneten Mittellage gehalten. Die vier gesteuerten Wege sind der Zulauf 10 von der Hydraulikpumpe 11, der drucklose Rücklauf 12 und die beiden Steuerleitungen 13 und 14 zum Kapselstellmotor 15. Letztere stehen mit den Gehäuseringkanälen 16 bzw.17 in ständiger- Verbindung: Zwischen ihnen in der Symmetrieebene S liegt der Gehäuseringkanal 18. Die weiteren zur Ebene S spiegelbildlich angeordneten Gehäuseringkanäle 19 und 20 stehen mit dem drucklosen Rücklauf 12 in Verbindung. Außerhalb dieses Symmetriebereichs sind noch die mit 21 und 22 bezeichneten Gehäuseringkanäle vorhanden, welche im Zusammenwirken mit dem Schieberringkanal 23 den Zulauf 10 und den drucklosen Rücklauf 12 verbinden (F i g. 1) bzw. trennen können (F i g. 2). Ein Gehäuseringkanal 24 dient der Lecköläbleitung.
Im Symmetriebereich hat der Steuerschieber an seinem Außenumfang vier Schieberringkanäle 25, 26, 27 und 28, die in dessen Mittelstellung den-Gehäuseringkanälen 20;17,16 und 19 gegenüberstehen. Diese Ringpaare 20, 25 bzw. 17, 26 bzw. 16, 27 bzw.19, 28 bleiben in jeder Schieberstellung in Verbindung miteinander (F i g. 2). Im Inneren des Steuerschiebers 6 sind zwei koaxiale, spiegelbildlich zur Symmetrie- i ebene S angeordnete Zylinder 29 und 30 angeordnet (F i g. 1), welche in der Symmetrieebene durch eine Trennwand 31 voneinander getrennt sind. An den Enden des Steuerschiebers verschließen Stopfen 32 bzw. 33 diese Zylinder. In ihnen ist je ein Doppel- i kolben 34 bzw. 35 spiegelbildlich zueinander angeordnet, die von zwei gleichstarken vorgespannten Druckfedern 36 bzw. 37 gegen die Trennwand 31 gedrückt werden. Die Federkammern stehen durch Bohrungen 38 bzw. 39 ständig mit dem drucklosen Rücklauf 12 in Verbindung. Zwischen den Doppelkolben wird je eine Kolbenkammer 40 bzw., 41 gebildet. Mittels spiegelbildlich "angeordneter Bohrungen 42 bzw. -43 -durch die Steuerschieberwarld -sind sie mit den Schieberringkanälen 27 bzw. 26 verbunden. Weitere radiale und spiegelbildlich angeordnete Bohrungen 44 bzw. 45 führen aus den gleichen Kolbenkammern zum Steuerschieberumfang. Die von der Trennwand 31 begrenzten Kolbenkammern haben immer den gleichen Druck wie die benachbarten Kolbenkammern 40 bzw. 41, da der sie trennende Kolben axial durchbohrt ist. In der Druckzuführung 10 ist ein Rückschlagventil 46 vorgesehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Steuerschieber 6 hydraulisch bewegt, wozu eine Hydraulikpumpe 50 und zwei von einem Handhebel 51! betätigte Druckregelventile 52 bzw. 53 dienen, welche entweder die Gehäusekopfkammer 54 oder 55 mit Druck beaufschlagen. Es können aber auch pneuma= tische oder mechanische Einrichtungen zum Steuern des Schiebers verwendet werden. Sie gehören nicht zum Gegenstand der Erfindung, ebenfalls nicht die üblicherweise in das Leitungssystem zum- Schutz gegen Druckspitzen vorgesehenen Druckbegrenzungsventile 56, 57, 58 und 62.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist wie folgt: In der F i g. 1 steht der Handhebel 51 in der neutralen Mittelstellung, wodurch die beiden Gehäusekbpfkämmern 54 und 55r mit dem drucklosen Rücklauf verbunden sind -und der Steuerschieber 6 von den-Federn 8 und 9 in seiner Mittelstellung gehalten wird. In dieser Stellung ist die Hydraulikpumpe 11 über den Zulauf 10 und die Ringkanäle 22, 23, 21 mit dem drucklosen Rücklauf 12 verbunden. Die Steuerleitungen 13 und 14 des: Stellmotors 15 sind durch den Steuerschieber geschlossen, so daß die Last L in jeder Lage festgehalten werden kann. ' Durch Verschwenken des Handhebels 51- nach rechts (F i g. 2) wird aus der Pumpe 50 durch das Druckregelventil 53 ein dem Schwenkwinkel entsprechender Druck in die Gehäusekopfkammer 55 eingesteuert, während die andere Gehäusekopfkammer 54 zum drucklosen Rücklauf geöffnet bleibt. Der Steuerschieber 6 hat sich in der Zeichnung um einen dem Steuerdruck proportionalen Weg nach unten bewegt. Durch die Trennung der Ringkanäle 21 und 22 baut die Pumpe 11 im Zulauf 10 Druck auf, der nach Öffnen des Rückschlagventils 46 über die nun verbundenen Ringkanäle 18, 26, 17 und die Steuerleitung 13 in der Kammer Z des Stellmotors 15 wirksam wird. Die umlaufenden Steuerkanten 59. und 60 haben einen großen ringförmigen, nicht drosselnden Querschnitt geöffnet. Dem Rücklauf aus der Kammer r des Stellmotors über die Steuerleitung 14 ist folgender Weg geöffnet: Ringkanal 16, Ringkanal 27, Bohrungen 42, Kolbenkammer 40, Bohrungen 44 und Ringkanal 19 zum drucklosen Rücklauf 12. Die Größe der Mündungsquerschnitte der Bohrungen 44 zum Ringkanal 19 hängt vom Grad ihrer Abdeckung durch die Gehäusesteuerkante 61 ab. Dieser Querschnitt ist der Steuerquerschnitt und die eine den Rücklaufstrom bestimmende Größe. Der Steuerquerschnitt wird also durch die Stellung des Steuerschiebers 6 und diese mit dem Handhebel 51 gesteuert. Die andere den Rückstrom bestimmende Größe ist die um den Steuerquerschnitt herrschende Druckdifferenz, die auf folgende Weise konstant gehalten wird: Das Zusammenwirken des Doppelkolbens 34, seiner Feder 36 und der Radialbohrungen 42 und 44 bildet ein sogenanntes Mengenventil, das hier in dem Steuerschieber 6 eingeordnet ist. Der Doppelkolben 34 stellt seine Lage auf einen Gleichgewichtszustand ein. In der Kolbenkammer 40 sowie in der Kolbenkammer an der Trennwand 31 herrscht immer ein jeweils gleicher Druck. Als Gegenkraft wirken auf den Doppelkolben die Feder 36 sowie der in der Federkammer herrschende Druck des freien Rücklaufs 19,12. Gleichgewicht ist vorhanden, wenn die Zulaufbohrungen 42 vom oberen Kolben so weit abgedeckt sind, daß der Druck in der Kolbenkammer 40 um ein von der Kraft der Feder 36 vorgegebenes Maß höher ist als der im freien Rücklauf 19, 12, d. h., daß die Druckdifferenz um den Rücklaufsteuerquerschnitt 44, 61 immer konstant ist. Diese Druckdifferenz ist unabhängig sowohl vom Druck im freien Rücklauf 12 als auch von dem in der Rücklaufleitung 14. Der Rücklaufstrom ist also stets proportional zu dem mit dem Steuerschieber 6 eingestellten Rücklaufsteuerquerschnitt 44, 61. Infolgedessen hat die Last L, gleichgültig, ob sie steigt oder sinkt, keinen Einfluß auf ihre Bewegungsgeschwindigkeit. Diese wird allein durch den Rücklaufsteuerquerschnitt 44, 61 bestimmt, der vom Handhebel 51 vorgegeben wird.
Der andere in der Zulaufleitung liegende Doppelkolben 35 hat bei der in F i g. 2 dargestellten Richtung der Wegsteuerung keine Funktion. Er verharrt in einer, Anschlagstellung unter Zusammendrückung seiner Feder 37.
Der gesteuerte Zulaufquerschnitt 59, 60 ist in jeder Öffnungsstellung des Steuerschiebers 6 erheblich größer als der mit gleichem Weg geöffnete Rücklaufsteuerquerschnitt 44, 61.
Durch Verschwenken des Handhebels 51 nach links geht der Steuerschieber 6 in die entgegengesetzte Wegsteuerlage, wodurch Zulauf und Rücklauf vertauscht werden. Dann liegt der Doppelkolben 35 im Rücklauf und übernimmt die bereits beschriebene Differenzdruckregelung.
Es ergeben sich durch die Erfindung mehrere fortschrittliche Wirkungen. Erstens sind das Wegeventil und die Mengenventile in baulich einfacher Weise so vereint, daß beide durch eine einzige Handhabe gesteuert werden. Dadurch wird die Steuerung eines Maschinenaggregats sehr viel einfacher und sicherer. Zweitens können durch überkreuzanordnung von je zwei Druckminderventilen 52, 53 und durch einen in ihrer Mitte zweidimensional schwenkbaren Steuerhebel sogar zwei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtungen mit einem einzigen Steuerhebel betätigt werden. Schließlich wird ermöglicht, daß mehrere Ventileinrichtungen zu Steuerblöcken zusammengeschlossen werden und daß bisher verwendete einfache Wegeventile durch erfindungsgemäße ausgewechselt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Hydraulische Ventileinrichtung zur Wegsteuerung sowie zur lastunabhängigen Geschwindigkeitsregelung von hydraulischen Stellmotoren, bestehend aus einem Wegeventil mit einem Steuerschieber sowie aus zwei dem Wegeventil zugeordneten Mengenventilen mit je einem Doppelkolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelkolben (34, 35) der Mengenventile in koaxialen, voneinander getrennten Innenzylindern des Steuerschiebers (6) angeordnet sind, daß der Rücklauf (13 bzw.14) vom Stellmotor (15) durch Zulaufbohrungen (42 bzw. 43) in der Wand des Steuerschiebers mit einer Kolbenkammer (40 bzw. 41) zwischen den Doppelkolben des an sich bekannten Mengenventils in Verbindung steht, wobei die Mündungsquerschnitte der Zulaufbohrungen von einem der Doppelkolben druckregelnd veränderbar sind, und daß Ablaufbohrungen (44 bzw. 45) durch die Steuerschieberwand von der jeweils im Rücklauf liegenden Kolbenkammer (40 in Fig. 2) zum drucklosen Rücklauf (19, 12) führen und die Mündungsquerschnitte dieser Ablaufbohrungen mittels einer Steuerkante (61) des Ventilgehäuses (1) durch axiale Steuerbewegungen des Steuerschiebers mengenregelnd veränderbar sind, derart, daß der Steuerschieber zugleich sowohl die Wege als auch den- Rücklaufquerschnitt steuert.
2. Hydraulische Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den jeweiligen Steuerweg des Steuerschiebers (6) auf der Zulaufseite ein großer, ringförmiger Querschnitt mittels umlaufender Steuerkanten (59, 60 in F i g. 2) öffenbar ist, während diesem auf der Rücklaufseite durch radiale Bohrungen (44) im Steuerschieber beim überschneiden einer im Ventilgehäuse umlaufenden Steuerkante (61) bei gleichem Steuerweg ein kleinerer Rücklaufquerschnitt entspricht.
3. Hydraulische Ventileinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den auf der Zulaufseite vom Steuerschieber (6) geöffneten großen, ringförmigen Querschnitt (59, 60 in F i g. 2) eine direkte, umgedrosselte Verbindung vom Zulauf (10) zum Stellmotor (15) unter Umgehung des auf der Zulaufseite liegenden Mengenventils (35, 37) hergestellt ist.
4. Hydraulische Ventileinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene (S in F i g. 1) der Trennwand (31) zwischen den Mengenventilen eine Symmetrieebene ist, zu der die Mengenventile und die ihnen zugeordneten Bohrungen durch die Steuerschieberwand sowie die beiden beiderseits benachbarten Ringkanäle (16, 27; 19, 28; 17, 26; 20, 25) spiegelbildlich angeordnet sind.
5. Hydraulische Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (6) durch mechanische, hydraulische oder pneumatische Stellkräfte verschiebbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 651324, 3 068 898, 3 155 114; K r a c h t, »Ölhydraulik in der Praxis«, Oktober 1961, S. 102.