DE19843911A1 - Vorgesteuertes Sperrventil - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetventil (1) mit einer Vorsteueröffnung (61), die einen Steuerraum (62) in einem Hauptkolben (20) des Magnetventils und einen rückwärtigen Steuerraum (35) des Hauptkolbens voneinander trennt. Diese Vorsteueröffnung (61) ist über einen elektromagnetisch ansteuerbaren Steuerkolben (30) und ein Schließelement (63), das in dem im Hauptkolben vorgesehenen Steuerraum angeordnet ist, verschließbar. Der Steuerraum (62) im Hauptkolben steht über eine Düse (64) mit einem ersten Anschluß (A) des Sperrventils in hydraulischer Verbindung, während der rückwärtige Steuerraum (35) über eine Düseneinrichtung (23) mit einem zweiten Anschluß (B) des Sperrventils hydraulisch verbunden ist. Das getrennt vom Steuerkolben vorgesehene Schließelement (63) ermöglicht eine gut steuerbare Fluidströmung vom zweiten Anschluß (B) zum ersten Anschluß (A) des Sperrventils mit geringen Strömungskräften.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Sperrventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den letzten Jahren hat der Einsatz der Hydraulik bei be­ weglichen Maschinen zugenommen. Das trifft vor allem für Erdbaumaschinen, Flurförderfahrzeuge, Ackerschlepper und selbstfahrende Erntemaschinen zu. Da hydrostatische Fahran­ triebe zwar eine Geschwindigkeitsregulierung ohne Schalten gestatten, jedoch einen geringen Wirkungsgrad haben, wird sich bei Anwendung hydraulischer Antriebe nicht in erster Linie auf die Vorwärtsbewegung orientiert. Das Hauptein­ satzgebiet hydraulischer Antriebe ist in der Betätigung von Arbeitsorganen zu sehen.

Im Fall von landwirtschaftlichen Fahrzeugen können die Ar­ beitsorgane sowohl am Ackerschlepper, der zum Schieben, Tragen und Antreiben von land- und forstwirtschaftlichen Geräten dient, als auch an den land- und forstwirtschaftli­ chen Geräten selbst vorgesehen sein. Eine besondere Bedeu­ tung hat dabei der Einsatz von hydraulisch gesteuerten Ar­ beitszylindern beim Hubwerk. Dabei kann z. B. im Fall des Pflügens das Hubwerk am Ackerschlepper und im Fall des Eg­ gens ein vom Ackerschlepper hydraulisch gespeistes Hubwerk an der Egge vorgesehen sein. Der Arbeitszylinder wird in Abhängigkeit vom Betriebsmodus entweder ausgefahren oder eingefahren.

Um den unter Druck stehenden Arbeitskreis abzusperren und um Kriechbewegungen des Arbeitszylinders zu vermeiden, wird zwischen Pumpe und Arbeitszylinder ein entsperrbares Sperr­ ventil geschaltet. Dieses Sperrventil kann entweder hydrau­ lisch oder elektromagnetisch entsperrbar sein. Der Vorteil der elektromagnetischen Entsperrung liegt darin, daß die Entsperrung über der Zeit optimal ausgeführt werden kann und daß der Energieverlust bei häufig wechselnden Be­ triebszuständen geringer ist.

Aus Sicherheitsgründen darf für die Betätigung eines Hubwerkes am Ackerschlepper vom Heck aus eine vorbestimmte Hubgeschwindigkeit nicht überschritten werden. Dieses kann beispielsweise durch die Abwandlung eines vorgesteuerten Sperrventils entsprechend der Patentanmeldung DE 197 07 991.1 umgesetzt werden.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Teilansicht eines sol­ chen abgewandelten vorgesteuerten Sperrventils nach dem Stand der Technik.

Das Sperrventil ist als Einbauventil in Patronen­ bauweise ausgeführt und hat ein Patronengehäuse 160 und ein Polrohr zur Unterbringung des Elektromagneten, die über Ge­ windeabschnitte abnehmbar miteinander verbunden sind.

Im Patronengehäuse 160 sind ein Druckraum 165, der mit einem Anschluß A des Sperrventils verbunden ist, und ein ringförmiger Druckraum bzw. Ringraum 126, der mit einem An­ schluß B des Sperrventils verbunden ist, axial hintereinan­ der ausgebildet. Der Durchmesser des Druckraums 165 ist gleich dem Innendurchmessers des Ringraums 126, wobei zwi­ schen diesen eine Schulter 161 definiert ist. In der Nähe der Schulter 161 befindet sich im Patronengehäuse 160 ein Radialbohrungsstern 163.

Der Radialbohrungsstern 163 stellt Fluidverbindung zwi­ schen dem Ringraum 126 und einem Ringraum her, der sich ra­ dial außerhalb des Radialbohrungssterns 163 befindet und um diesen herum ausgebildet ist. Dieser Ringraum kann mit ei­ nem Druckraum eines Arbeitszylinders verbunden sein. Der Druckraum 165 im Patronengehäuse kann wahlweise mit einer Pumpe bzw. einem Tank verbunden werden, um das Ausfahren und Einfahren des Arbeitszylinders über das Sperrventil steuern zu können.

Der Abschnitt des Patronengehäuses 160, in dem der Druckraum 165 ausgebildet ist, kann an seinem Außenumfang mit einem Gewinde versehen sein, um das Patronengehäuse 160 in einen Einschraubabschnitt in einer Aufnahmebohtung zu schrauben. Diese Aufnahmebohrung kann in einem Ventilblock für eine Vielzahl von weiteren Ventilen vorgesehen sein.

Innerhalb des Patronengehäuses 160 befindet sich ein axial verschiebbarer Hauptkolben 20, der einen Hauptkegel 121 mit einer Konusfläche 24 aufweist. In der dargestellten Schließstellung befindet sich die Konusfläche 24 mit einer Sitzkante 162, die am radial innersten Abschnitt der Schul­ ter 161 im Patronengehäuse 160 ausgebildet ist, in Anlage. Im Boden des Hauptkolbens 20 ist mittig eine erste Düse 122 ausgebildet, die zwischen dem Druckraum 165 und einer In­ nenbohrung 27 im Hauptkolben 20 Fluidverbindung herstellen kann. Der Hauptkolben 20 ist im Axialabstand zur Konusflä­ che 24 mit einer Radialschulter versehen, so daß eine Ring­ fläche 25 ausgebildet wird. Durch die Radialschulter wird eine Flächendifferenz zwischen der Fläche am Ventilsitz und der durch den Außenumfang begrenzten Querschnittsfläche des Hauptkolbens 20 ausgebildet, über die das Abheben des Hauptkolbens 20 unterstützt wird. Im zylinderförmigen Ab­ schnitt des Hauptkegels 121, d. h. zwischen der ersten Düse 122 und der Ringfläche 25, ist eine zweite Düse 123 vorge­ sehen, über die zwischen der Innenbohrung 27 im Hauptkolben 20 und dem Ringraum 126 Fluidverbindung herstellbar ist.

In der Innenbohrung 27 des Hauptkolbens 20 ist axial mittig ein Steuerkolben 30 mit einem Zylinderabschnitt 30a vorgesehen, der sich von einem nicht gezeigten Magnetanker, der sich im Polrohr befindet, her erstreckt. An den ersten Zylinderabschnitt 30a schließt sich in Axialrichtung des Steuerkolbens 30 ein vorzugsweise aus Kunststoff ausgebil­ deter, zweiter Zylinderabschnitt 30b an, der einen größeren Außendurchmesser als der erste Zylinderabschnitt 30a hat. In diesen zweiten Zylinderabschnitt 30b ist ein Einsatzele­ ment 40 mit einem aus dem zweiten Zylinderabschnitt 30b in Axialrichtung hervorstehenden ersten Kegelabschnitt 42 ein­ gebracht. An den ersten Kegelabschnitt 42 schließt sich in Axialrichtung des Steuerkolbens 30 ein Fortsatz 41 an, der in dieser Reihenfolge zum Druckraum 165 hin einen Zylinder­ abschnitt 44 mit geringem Durchmesser, einen zweiten Ke­ gelabschnitt 43, einen Zylinderabschnitt 45 mit großem Durchmesser und einen angefasten Abschnitt 46 aufweist. Der Außendurchmesser des ersten Kegelabschnitts 42 ist so ge­ staltet, daß dieser die erste Düse 122 schließen kann. Der Durchmesser des Zylinderabschnitts 45 mit großem Durchmes­ ser ist kleiner als der Innendurchmesser der ersten Düse 122, damit sich der Fortsatz 41 durch die erste Düse 122 hindurchstecken läßt.

Die Innenbohrung 27 des Hauptkolbens 20 ist zum ersten Zylinderabschnitt 30a des Steuerkolbens 30 hin zu einer Bohrung 127 mit größerem Durchmesser erweitert. Der sich ergebende Schulterabschnitt nimmt einen Federring 51 auf, auf dem sich ein Endabschnitt einer Feder 50 befindet, de­ ren anderer Endabschnitt am Polrohr abgestützt ist. Der Fe­ derring 51 befindet sich auf dem Außenumfangs des ersten Zylinderabschnitts 30a des Steuerkolbens 30. Die Stirnflä­ che vom Federring 51 ist in der Ruheposition des Sperrven­ tils zu einem Schulterabschnitt, der im Übergangsbereich zwischen dem ersten Zylinderabschnitt 30a und zweiten Zy­ linderabschnitt 30b am zweiten Zylinderabschnitt 30b ausge­ bildet ist, mit einem Abstand V beabstandet, wobei in die­ ser Ruheposition der erste Kegelabschnitt 42 des Steuer­ kolbens 30 die erste Düse 122 verschließt.

Da die Innenbohrung 27 einschließlich der Bohrung 127 bezüglich dem Außendurchmesser der Zylinderabschnitte 30a, 30b des Steuerkolbens 30 bzw. den Abmessungen des Federtel­ lers 51 und der Feder 50 mit Spiel zueinander vorgesehen sind, besteht eine offene Verbindung zwischen einem Steuer­ raum 35 in der Innenbohrung 27 und der Rückseite des Haupt­ kolbens 20. Dieser wird also auf seiner gesamten durch den Außendurchmesser der Ringfläche 125 bestimmten Fläche von dem Druck in dem rückwärtigen Steuerraum in Schließrichtung beaufschlagt, wobei als rückwärtiger Steuerraum alle Hohl­ räume betrachtet werden können, in denen der zwischen den zwei Düsen 122 und 123 herrschende Steuerdruck anliegt.

Da der Hauptkolben 20 gegenüber dem Polrohr durch die Feder 50 gegen die Sitzkante 162 vorgespannt ist, kann eine Bewegung des Hauptkolbens 20 von der Schulter 161 weg nur durch eine Abweichung vom Kräftegleichgewicht hervorgerufen werden, das durch den Druck an einer zum Druckraum 165 wei­ senden Fläche 24a des Hauptkegels 121 des Hauptkolbens 20 und den Druck im Ringraum 126 an der zweiten Fläche 25 ei­ nerseits sowie durch den Druck im rückwärtigen Steuerraum am Hauptkolben 20 und durch die Feder 50 bewirkt wird.

Eine Bewegung des druckausgeglichenen Steuerkolbens 30 von der ersten Düse 122 weg wird durch Bestromen der Spu­ lenwicklung und durch die sich daraus ergebende Bewegung des Magnetankers bewirkt. Genauer gesagt wird zu Beginn ein Voröffnen des Steuerkolbens 30 um den Abstand V ausgeführt, bevor dann der Magnetanker des Steuerkolbens 30 mit einer Kraft bewegt werden muß, deren eine Komponente eine Gegen­ kraft zur Kraft der Feder 50 darstellt.

Bei einem solchen Sperrventil entsprechend dem Stand der Technik befindet sich ein Arbeitszylinder über den zweiten Anschluß B in Fluidverbindung mit dem Radialboh­ rungsstern 163 und ist über den ersten Anschluß A an den Druckraum 165 beim Ausfahren des Arbeitszylinders eine Pum­ pe und beim Einfahren des Arbeitszylinders ein Tank ange­ schlossen.

Beim langsamen Heben eines Arbeitszylinders befinden sich nacheinander der Zylinderabschnitt 44 mit kleinem Durchmesser, der zweite Kegelabschnitt 43 und der Zylinder­ abschnitt 45 mit großem Durchmesser in der ersten Düsenein­ richtung 122, wodurch sich eine konstante Regeldruckdiffe­ renz ergibt.

Beim langsamen Senken müssen hingegen bei diesem Sperr­ ventil nach dem Stand der Technik wechselnde Lasten von 0 bis 20 MPa ausgesteuert werden. Genauer gesagt ist der Ab­ stand V, der eine Voröffnung des Sperrventils festlegt, in einer solchen Weise bestimmt, daß, wenn sich der Steuerkol­ ben 30 mit dem Federring 51 in Anlage befindet, der Haupt­ kolben 20 gerade noch geschlossen ist. Hierbei ist zwischen dem ersten Kegelabschnitt 42 und der ersten Düseneinrich­ tung 122 ein Spalt ausgebildet. Aus dieser Position des Steuerkolbens 30 heraus wird nun mit steigender Kraft am Magnetanker gegen die Kraft der Feder 50 und gegen die vom Lastdruck am Anschluß B abhängende Strömungskraft am Steu­ erkolben 30 der Spalt zwischen dem ersten Kegelabschnitt 42 und der ersten Düseneinrichtung 122 vergrößert, bis der Hauptkolben 20 von der Sitzkante 162 abhebt und der weite­ ren Bewegung des Steuerkolbens 30 folgt.

Da die Strömungskraft am Steuerkolben 30 lastabhängig ist, kann diese nicht als eine feste Größe in ein Steuer­ programm aufgenommen werden. Die Auswirkungen werden beson­ ders deutlich, wenn für ein Sperrventil nach dem Stand der Technik ein Hub von 0,2 mm bei einem Lastdruck von 20 MPa untersucht wird. Dabei ergibt sich bei einer Ausführungs­ form beispielsweise eine Volumenstromdifferenz von 70 l/min. Somit ist ein genauer Steuerungsprozeß für das lang­ same Senken nicht möglich.

Ferner entstehen durch die sehr hohe Strömungsgeschwin­ digkeit Reibungskräfte, die das Ansprechverhalten des Sperrventils nach dem Stand der Technik ebenfalls ver­ schlechtern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun dar­ in, ein Magnetventil mit verbessertem Senkverhalten vorzu­ sehen, ohne daß ein verschlechtertes Hebeverhalten zu ver­ zeichnen ist. Insbesondere sollen die Strömungskräfte am Steuerkolben beim Senken verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 1 gelöst.

Ein solches Sperrventil weist eine in einem Hauptkolben axial ausgebildete Vorsteueröffnung auf, die in Abhängig­ keit von der Betätigung des Steuerkolbens und den Druckver­ hältnissen an den zwei Anschlüssen des Sperrventils durch einen Steuerkolben oder ein Schließelement verschließbar ist. Zwischen der Vorsteueröffnung und dem ersten Anschluß befindet sich eine Düse, die in einen im Hauptkolben vorge­ sehenen Steuerraum mündet, während sich zwischen einem rückwärtigen Steuerraum im Hauptkolben und dem zweiten An­ schluß eine Düseneinrichtung befindet.

Bei einem solchen Sperrventil sind somit gegenüber dem abgewandelten Sperrventil nach dem Stand der Technik im Senken-Modus die Strömungskräfte am Steuerkolben verrin­ gert, während gleichzeitig die Betriebsarten schnelles He­ ben, langsames Heben, schnelles Senken und langsames Senken effektiv ausführbar sind.

Die zwischen Vorsteueröffnung und dem ersten Anschluß ausgebildete Düse kann als Festdüse mit konstantem Öff­ nungsquerschnitt oder aber als variable Düse mit veränder­ lichem Öffnungsquerschnitt ausgebildet werden. Die variable Düse wird derart ausgebildet, daß bei geringen Lastdrücken der Öffnungsquerschnitt vergleichsweise groß eingestellt wird, während der Öffnungsquerschnitt bei hohen Lastdrücken im Größenbereich wie bei einer Düse mit konstantem Öff­ nungsquerschnitt eingestellt wird. Dies eröffnet die Mög­ lichkeit, die Steuerung lastunabhängig durchzuführen.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Schließelement als Kugel ausgeführt, die in einem konischen Bohrungsabschnitt axial bewegbar geführt ist und über eine Druckfeder in eine Position mit maximalem Öff­ nungsquerschnitt vorgespannt ist.

Das Schließelement ist vorzugsweise eine Kugel, wodurch ein verschleißarmes Schließen der Vorsteueröffnung vom im Hauptkolben vorgesehenen Steuerraum ermöglicht wird.

Wenn die Düse als Radialbohrung ausgebildet ist, erge­ ben sich eine geringe axiale Belastung voll Abschnitten des Hauptkolbens und ein geringer Fertigungsaufwand verbunden mit einer hohen Genauigkeit beim Durchmesser der Düsenöff­ nung.

Vorzugsweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel der im Hauptkolben vorgesehene Steuerraum als Axialbohrung ausge­ bildet, in den eine zylinderartige Halteeinrichtung ein­ führbar ist. Auf diese Weise wird ein Herausfallen der Ku­ gel aus dem Steuerraum verhindert, wobei die Kugel mit ge­ ringem Aufwand im Steuerraum vorsehbar ist.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der im Hauptkolben vorgesehene Steuerraum als Axialbohrung ausge­ bildet und ist die Düse ein Ringspalt zwischen Axialbohrung und Kugel. Diese Struktur führt zu einem verringerten Her­ stellungsaufwand bei gleichzeitig guter Funktionsfähigkeit des Sperrventils.

Eine Halteeinrichtung für die Kugel ist bei diesem al­ ternativen Ausführungsbeispiel radial zur Axialbohrung vor­ gesehen. Somit liegen die Einführrichtung der Halteeinrich­ tung und die Richtung der beim Senken auf die Kugel wirken­ den Kraft senkrecht zueinander, was die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Sperrventils erhöht.

Entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung weist das Schließelement einen konus­ förmigen Abschnitt zum Verschließen der Vorsteueröffnung auf. Auf diese Weise läßt sich ein sicheres Schließverhal­ ten des konusförmigen Abschnitts erreichen.

Wenn beim erfindungsgemäßen Sperrventil entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel die Mittellinie der Düse bezüglich der Achse des Hauptkolbens schräg angestellt ist, ergibt sich eine geringe axiale Ausdehnung des Hauptkolbens bei gleichzeitig guter Funktionsfähigkeit des Sperrventils.

Auch beim Sperrventil entsprechend dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel erstreckt sich die Halteeinrichtung für das Schließelement vorzugsweise senkrecht zur Bewegungslinie des Schließelementes, um die Kraft des Schließelementes bei möglichst geringem Verschließ effektiv aufzunehmen.

Es ist vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser der sich senkrecht zur Bewegungslinie des Schließelementes erstrec­ kenden Halteeinrichtung kleiner als ein sich benachbart zur Axialbohrung erstreckender Bohrungsabschnitt ist. Somit wird abgesichert, daß Fluid vom Schließelement und zu die­ sem an der Halteeinrichtung vorbei strömen kann, um ein si­ cheres Positionieren des Schließelementes vorzunehmen. Vorzugsweise ist die Düseneinrichtung eine Radialboh­ rung. Auch diese Maßnahme sichert geringe Abmessungen des Hauptkolbens ab.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines vorgesteuerten Sperr­ ventils nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines vorgesteuerten Sperr­ ventils entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines vorgesteuerten Sperr­ ventils entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines vorgesteuerten Sperr­ ventils entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines vorgesteuerten Sperr­ ventils entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden erfolgt die detaillierte Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen der Erfindung. Dabei entspricht der Aufbau des Sperrventils nach dem Stand der Technik mit Ausnahme des in Fig. 1 mit "I" bezeichneten Bereiches und beim dritten Ausführungsbeispiel mit Ausnahme der Anordnung der Düseneinrichtung 123 im wesentlichen dem der Sperrven­ tile entsprechend den drei Ausführungsbeispielen der vor­ liegenden Erfindung. Daher werden Bauteile, die bereits im Zusammenhang mit dem Sperrventil nach dem Stand der Technik beschrieben wurden, nicht erneut beschrieben.

Da die Funktion der drei Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung ähnlich ist, erfolgt eine Erläuterung der Betätigung des Sperrventils zusammengefaßt nach der Be­ schreibung der Struktur der drei Ausführungsbeispiele.

Erstes Ausführungsbeispiel

Ein vorgesteuertes Sperrventil entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei ist der Bereich I am Hauptkolben 20 ent­ sprechend der nachfolgenden Beschreibung aufgebaut:
Der Hauptkolben 20 weist an seinem zum Anschluß A wei­ senden Endabschnitt einen Fortsatz 21 auf, in dem in Axial­ richtung des Hauptkolbens 20 eine Axialbohrung 60 ausgebil­ det ist. Die Axialbohrung 60 hat einen zylindrischen Ab­ schnitt 60b, der zum Anschluß A hin in einen Bohrungsab­ schnitt 60a mit vergrößertem Durchmesser übergeht. Zum Steuerraum 35 hin geht der Bohrungsabschnitt 60a in einen konischen Abschnitt 60c und dann in einen Vorsteueröffnung 61 über, in die der Kegelabschnitt 42 des Steuerkolbens 30 einbringbar ist.

Im zylindrischen Abschnitt 60b der Axialbohrung 60 ist ferner eine Querbohrung 90 ausgebildet, an deren beiden En­ dabschnitten Düsen 64 ausgebildet sind, über die die Quer­ bohrung 90 mit dem Druckraum 165 in hydraulischer Verbin­ dung steht.

Im Bohrungsabschnitt 60a mit vergrößertem Durchmesser ist eine zylinderförmige Halteeinrichtung 65 lösbar ange­ bracht. Dabei ist es im Hinblick auf eine einfache Montier­ barkeit von Vorteil, wenn der Bohrungsabschnitt 60a ein In­ nengewinde und die Halteeinrichtung 65 ein Außengewinde aufweist. Die zum Druckraum 165 weisende Endfläche 65a der Halteeinrichtung 65 schließt mit der ersten Fläche 24a des Hauptkolbens, an der der Druck im Druckraum 165 wirkt, bün­ dig ab, um ein starke Fluidverwirbelung weitestgehend zu vermeiden. Um die Halteeinrichtung 65 bei der Montage ein­ fach bewegen zu können, befindet sich in der Endfläche 65a eine Ausnehmung 65c für einen Sechskantschlüssel, über die auf die Halteeinrichtung eine Drehbewegung übertragbar ist.

Eine Endfläche 65b der Halteeinrichtung 65, die zur Endfläche 65a entgegengesetzt liegt, sowie der zylindrische Abschnitt 60b und der konische Abschnitt 60c der Axialboh­ rung 60 legen einen Steuerraum 62 im Hauptkolben fest. In diesen Steuerraum 62 ist eine Kugel 63 eingebracht, die in dem Zustand, in dem sie sich mit dem konischen Abschnitt 60c der Axialbohrung 60 in Anlage befindet, die Vorsteuer­ öffnung 61 schließt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung in Form des zweiten Aus­ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei die Dü­ se und die Halteeinrichtung abgeänderte Strukturen aufwei­ sen.

Genauer gesagt schließt sich an einen in Längsrichtung des Hauptkolbens 20 ausgebildeten zylindrischen Abschnitt 70b einer Axialbohrung 70 ein Bohrungsabschnitt 70a mit vergrößertem Durchmesser an, der in den Druckraum 165 mün­ det. Quer zu diesem Bohrungsabschnitt 70a erstreckt sich durch den Fortsatz 21 vom Hauptkolben den Bohrungsabschnitt 70a schneidend eine Querbohrung 91 mit geringerem Durchmes­ ser als der Bohrungsabschnitt 70a. Beide Endabschnitte der Querbohrung 91 münden in den Druckraum 165. In dieser Quer­ bohrung 91 ist eine vorzugsweise zylindrische Halteeinrich­ tung 75 preßgepaßt. Die zylindrische Halteeinrichtung 75 kann jedoch auf beliebige andere Weise in der Querbohrung 91 vorgesehen werden, beispielsweise mittels Schraubverbin­ dung.

Der zylindrische Abschnitt 70b der Axialbohrung 70 geht zum Steuerraum 35 hin in einen konischen Abschnitt 70c über, an den sich die Vorsteueröffnung 61 anschließt.

Somit wird durch die Halteeinrichtung 75, den zylindri­ schen Abschnitt 70b, teilweise durch den Bohrungsabschnitt 70a und durch den konischen Abschnitt 70c der Axialbohrung 70 ein Steuerraum 72 festgelegt. In diesen Steuerraum 72 ist eine Kugel 63 als Schließelement eingebracht, deren Durchmesser geringer als der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 70b ist. Auf diese Weise wird zwischen der zum zylindrischen Abschnitt 70b weisenden Fläche der Kugel 63 und dem zylindrischen Abschnitt 70b ein Ringspalt 74 fest­ gelegt, der die gleiche Funktion wie die Düse 64 im ersten Ausführungsbeispiel hat.

Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung der er­ sten Düseneinrichtung 22 wird in den Fall, in dem sich der erste Kegelabschnitt 42 nicht in der Vorsteueröffnung 61 befindet und in dem der Druck im Druckraum 165 höher als der Druck an der zum Steuerraum 72 weisenden Seite der Vor­ steueröffnung 61 ist, die Kugel 63 mit dem konischen Ab­ schnitt 60c in Anlage gebracht. Auf diese Weise schließt die Kugel 63 die Vorsteueröffnung 61.

Drittes Ausführungsbeispiel

Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung ist in Fig. 4 gezeigt.

Das Sperrventil entsprechend diesen dritten Ausfüh­ rungsbeispiel weist eine erste Düseneinrichtung 32 auf, die iri Axialrichtung des Hauptkolbens 20 eine Axialbohrung 80 hat. Ähnlich dem zweiten Ausführungsbeispiel hat die Axial­ bohrung einen Bohrungsabschnitt 80a, dessen einer Endab­ schnitt zum Druckraum 165 weist und an den sich ein zylin­ drischer Abschnitt 80b anschließt, der wiederum in einen konischen Abschnitt 80c übergeht. An den konischen Ab­ schnitt 80c schließt sich in Längsrichtung des Hauptkolbens 20 die Vorsteueröffnung 61 an.

In gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist in der Querbohrung 90, die den Bohrungsabschnitt 80a orthogonal schneidet, die Halteeinrichtung 75 vorgesehen. Auch beim dritten Ausführungsbeispiel hat die Halteeinrich­ tung 75 einen kleineren Durchmesser D als der Bohrungsab­ schnitt 80a.

Das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung unterscheiden sich darin, daß beim dritten Ausführungsbeispiel im zylindrischen Abschnitt 80b der Axialbohrung 80 als Schließelement ein zylinderartigen Körper 73 vorgesehen ist, dessen einer, zur Vorsteueröff­ nung 61 weisender Endabschnitt 73a konisch ausgebildet ist. Genauer gesagt ist der Endabschnitt 73a kegelstumpfar­ tig ausgebildet, um bei einer Bewegung zum Kegelabschnitt 42 des Steuerkolbens 30 hin eine Beschädigung des Endab­ schnitts 73a und des Kegelabschnitts 42 zu vermeiden. Da der zylinderartige Körper 73 im zylindrischen Abschnitt 80b bei geringem Abstand zu diesem sicher gleiten soll und da­ her eine Abmessung in Längsrichtung aufweist, die wesent­ lich größer als die Querabmessung ist, hat der zylindrische Abschnitt 80b eine größere Längsabmessung als der zylindri­ sche Abschnitt 70b beim zweiten Ausführungsbeispiel.

Düsen 84, die in einen Bereich des zylindrischen Ab­ schnitts 80b münden, der sich nahe des konischen Abschnitts SOc befindet, stellen Fluidverbindung zwischen dem Druck­ raum 165 und dem Steuerraum 82, in dem sich der zylindri­ sche Körper 73 befindet, her. Dabei hat die konusförmige Fläche 73a eine solche Neigung, daß die Düse bei beliebiger Position des zylinderartigen Körpers 73 immer mit dem Steu­ erraum 82 in Fluidverbindung steht, wodurch selbst bei ge­ ringer Öffnung der Vorsteueröffnung 61 der Druckraum 165 mit dem Steuerraum 35 in Fluidverbindung steht.

Die Düsen 84 verlaufen schräg zur Längsachse des Haupt­ kolbens 20, um eine unnötig große Längsausdehnung des Fort­ satzes 21 in Längsrichtung zu vermeiden und trotzdem si­ cherzustellen, daß der Druck der zum Druckraum 165 entge­ gengesetzt liegenden Seite der jeweiligen Düse 84 am konus­ förmigen Abschnitt 73a des zylinderartigen Körpers 73 an­ liegt.

Der zylinderartige Körper 73 ist so bemessen, daß die­ ser nur ein geringes Spiel bezüglich dem zylindrischen Ab­ schnitt 80b der Axialbohrung 80 aufweist und somit kein Ringspalt wie beim zweiten Ausführungsbeispiel vorliegt.

Durch die vorstehend beschriebene Gestaltung der ersten Düseneinrichtung 31 bedingt hat der Hauptkolben 20 des dritten Ausführungsbeispiels bereits eine größere Längsab­ messung als der Hauptkolben des zweiten Ausführungsbei­ spiels. Um nun eine weitere Vergrößerung der Längsabmessung vom Hauptkolben 20 durch radiale Anordnung der zweiten Dü­ seneinrichtung, die beim zweiten Ausführungsbeispiel mit dem Bezugszeichen 23 versehen ist, zu vermeiden, wird beim dritten Ausführungsbeispiel eine zweite Düseneinrichtung 33 schräg zur Längsachse des Hauptkolbens 20 ausgebildet.

Funktionsweise des ersten bis dritten Ausführungsbei­ spiels

In gleicher Weise wie beim Gegenstand der Anmeldung DE 197 55 120.3 werden vier Betriebsarten des vorgesteuerten Sperrventils unterschieden: langsames Heben, schnelles He­ ben, langsames Senken und schnelles Senken. Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung unterscheidet sich jedoch von dem der Anmeldung DE 197 55 120.3 durch die verringerten Strömungskräften beim Senken und somit durch eine bessere Steuerbarkeit des Senkprozesses.

Genauer gesagt wird für das langsame Senken beim erfin­ dungsgemäßen Sperrventil die Vorsteueröffnung 61 durch eine Verschiebung des zweiten Zylinderabschnitts 30b um den Ab­ stand V, der beispielsweise 0,5 mm betragen kann, d. h. mit dem Federring 51 in Anlage, geöffnet. In dieser Stellung ist das Öffnungsverhältnis von Festdüse, d. h. der Düsen 23 bzw. 33 in den einzelnen Ausführungsbeispielen, zur gesteu­ erten variablen Düse, d. h. zur Vorsteueröffnung 61, so ein­ gestellt, daß der Druck im Steuerraum 35 des Hauptkolbens ausreicht, daß dieser den Hauptkolben 20 auf der Sitzkante 162 hält. Somit strömt Fluid über die Düsen 23 bzw. 33 in den Steuerraum 35 und von dort über die Vorsteueröffnung 61 zu einer oder zwei nachgeschalteten Festdüsen, die in den Ausführungsbeispielen mit 64, 74 bzw. 84 bezeichnet sind, ohne daß ein durch eine Steuereinrichtung zum Heben beding­ ter Engpaß passiert werden muß. Auf diese Weise entfällt ein Störfaktor, der beim Senkvorgang des Sperrventils nach dem Stand der Technik auftrat. Von den nachgeschalteten Festdüsen strömt das Fluid dann über den Druckraum 165 zum Tank.

Die nachgeschalteten Festdüsen sind dabei so ausgelegt, daß der Druckabfall, der an der stromaufwärts angeordneten Vorsteueröffnung 61 auftritt, mehr als halbiert wird. In gleichem Maße verringert sich auch an dieser Stelle die Strömungskraft. Somit stört diese durch ihren geringeren Betrag bedingt die Steuerungsprozeß in wesentlich geringe­ rem Umfang, so daß sich die Steuerbarkeit des erfindungsge­ mäßen Sperrventils verbessert.

Wenn sich der Kegelabschnitt 42 durch Bestromung der Magnetspule am Sperrventil nun weiter von der Vorsteueröff­ nung 61 entfernt und somit deren Strömungsquerschnitt ver­ größtert, so folgt der Hauptkolben 20 ab einem bestimmten Punkt der Bewegung des Steuerkolbens 30, so daß sich der Öffnungsquerschnitt zwischen der Sitzkante 162 und dem Hauptkolben 20 vergrößert und der Senkprozeß optimal von außen steuerbar ausgeführt wird.

Beim schnellen Senken wird die Vorsteueröffnung 61 durch eine entsprechende Axialverstellung des Steuerkolbens 30 maximal aufgesteuert, so daß Vorsteueröl aus dem Steuer­ raum 35 zum Anschluß A hin abströmen kann und die Hauptkol­ benrückseite entlastet wird. Durch die Betätigung des Steu­ erkolbens 30 mittels des Zugmagneten wird die Feder 50 zu­ sammengedrückt, so daß eine weitere Entlastung der Haupt­ kolbenrückseite erfolgt. Der Hauptkolben wird demzufolge von der Sitzkante 162 abgehoben, so daß das Druckmittel schnell vom Anschluß 8 zum Anschluß A abströmen kann.

Beim langsamen Heben wird der Steuerkolben 30 um einen größeren Betrag als beim langsamen Senken, d. h. beispiels­ weise um ca. 1 mm, von der Vorsteueröffnung 61 abgehoben, wodurch Fluid aus dem Druckraum 165 über die Festdüsen, die in den Ausführungsbeispielen die Bezugszeichen 64, 74 bzw. 84 haben, und die geöffnete Vorsteueröffnung 61 in den Steuerraum 35 gelangt: Beim Abfluß des Fluids über die Düse 23 bzw. 33 zum Verbraucher tritt jedoch noch ein so hoher Druckabfall auf, daß sich der Hauptkolben 20 mit der Sitz­ kante 162 in Anlage befindet.

Bei stärkerer Bestromung der Magnetspule zur Betätigung des Steuerkolbens 30 bewegt sich der Steuerkolben 30 noch weiter von der Vorsteueröffnung 61 weg, bis das Schließele­ ment 63 bzw. 73 die Vorsteueröffnung 61 schließt. Im An­ schluß daran beginnt der Hauptkolben 20, sich von der Sitz­ kante 162 weg zu begeben.

Beim schnellen Heben muß die Vorsteueröffnung geschlos­ sen sein. Dieses kann entweder dadurch vorgenommen werden, daß sich der Kegelabschnitt 42 mit maximalem Abstand von der Vorsteueröffnung 61 entfernt, wobei anschließend das Schließelement 63 bzw. 73 die Vorsteueröffnung 61 schließt, oder dadurch, daß der Kegelabschnitt 42 in der Vorsteuer­ öffnung 61 gehalten wird. In beiden Fällen bewirkt die durch den Druck im Druckraum 165 an der ersten Fläche 24a erzeugte Kraft ein schnelles Abheben des Hauptkolbens 20 von der Sitzkante 162.

Bei den anhand der Fig. 2 bis 4 beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen waren die Düsen 64, 74 bzw. 84 mit einem konstanten Öffnungsquerschnitt als Festdüsen ausgeführt. Diese Varianten erfüllen ihre Funktion im Senken-Modus bei hohen Lastdrücken, indem sie den Druckabfall und damit die Strömungskraft an der Vorsteueröffnung 61 reduzieren. Da der maximal zu erwartende Lastdruck relativ hoch, bei­ spielsweise bei 200 bar liegt, werden die Düsen 64,74 bzw. 84 auch auf diesen maximal zu erwartenden Lastdruck ausge­ legt. Bereits bei einem geringen Hub des Hauptkolbens 20 können dabei bereits erhebliche Durchflußmengen auftreten. Um auch bei kleineren Lastdrücken die erforderliche Durch­ flußmengen zu erzielen, muß der Hauptkolben 2 entsprechend weiter aufgesteuert werden, so daß der Druckverlust in der Vorsteueröffnung 61 verringert wird. Durch die nachgeschal­ tete Düse 64, 74 bzw. 84 mit konstantem Öffnungsquerschnitt reicht die auf den Hauptkolben 20 wirkende Druckkraft nicht mehr aus, um diesen soweit öffnen zu können, daß sich die gewünschte Durchflußmenge einstellt. D. h., die Funktion des Sperrventils im Senken-Modus ist bei geringen Lastdrüc­ ken eingeschränkt.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird die Düse in Ab­ weichung von den vorstehenden Ausführungsbeispielen als va­ riable Düse mit veränderbarem Öffnungsquerschnitt ausge­ führt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in der Axialbohrung 60 des Hauptkolbens 20 ein Düsenkörper 90 eingesetzt, der eine Konusbohrung 92 hat, in deren Bereich das Schließele­ ment, in dem vorliegenden Fall die Kugel 63, axial ver­ schiebbar angeordnet ist. Die Kugel 63 und die Umfangswan­ dung der Konusbohrung 92 bilden eine Düse 94, deren Öff­ nungsquerschnitt sich in Abhängigkeit von der Axialposition der Kugel 63 zur Vorsteueröffnung 61 hin erweitert.

In der Axialbohrung 60 ist des weiteren eine Federbuch­ se 95 befestigt, über die der Düsenkörper 90 gegen eine Ra­ dialschulter des Hauptkolbens 20 gedrückt wird. An der Stirnseite ist die Federbuchse 95 zum Anschluß A offen. An einer innenliegenden Radialschulter der Federbuchse 95 ist eine Druckfeder 96 abgestützt, über die ein Federteller 97 gegen den Düsenkörper 90 vorgespannt ist. Der Federteller 97 hat einen zentrischen Führungsvorsprung 98, der in die Konusbohrung 92 eintaucht und an dem die Kugel 63 abge­ stützt ist.

Im Federteller 97 ist des weiteren noch eine Durch­ trittsbohrung 99 ausgebildet, über die das Druckmittel vom Anschluß A zum Anschluß B oder in umgekehrter Richtung strömen kann.

Die Kraft der Druckfeder 96 ist derart gewählt, daß die Druckkraft bei geringen Lastdrücken nicht ausreicht, um den Federteller 97 aus seiner in Fig. 5 dargestellten Position zu bewegen. D. h., die Kugel 63 ist in eine Position vorge­ spannt, in der der Ringspalt zwischen dieser und dem Düsen­ körper 90 maximal ist. Bei höheren Lastdrücken wird die Druckfeder 96 zusammengedrückt, so daß die Kugel 63 aus der in Fig. 5 dargestellten Position nach links in die gestri­ chelte Position bewegbar ist, wobei der Federteller 97 von dem Düsenkörper 90 abgehoben wird. Durch diese Axialbewe­ gung der Kugel 63 wird der Ringspalt verringert, so daß der Öffnungsquerschnitt der Düse 94 in der Endposition der Ku­ gel 63 eine Größenordnung annimmt, die dem Öffnungsquer­ schnitt der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele ent­ spricht. D. h., durch geeignete Wahl der Druckfeder 96 und der Geometrie des Düsenkörpers 90 und des Schließelements 63 stellt sich der wirksame Öffnungsquerschnitt der Düse 94 selbsttätig derart ein, daß auch bei einem geringen Öff­ nungshub des Hauptkolbens 20 eine ausreichende Durchfluß­ menge erzielbar ist, so daß die Funktion des Sperrventils in den unteren Lastdruckbereichen nicht beschnitten ist. Die sonstige Funktion entspricht derjenigen der vorbe­ schriebenen Ausführungsbeispiele, so daß weitere Erläute­ rungen entbehrlich sind.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die vor­ stehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, son­ dern schließt auch Ausführungsbeispiele mit ein, bei denen die Düse 84 beim dritten Ausführungsbeispiel aus einer Aus­ nehmung oder einer Vielzahl von Ausnehmungen besteht. We­ sentlich ist, daß eine Düse zwischen dem Druckraum 165 und einem Steuerraum 82 im Hauptkolben 20 hydraulische Verbin­ dung herstellt, eine Vorsteueröffnung 61 den Steuerraum 82 über eine weitere Düseneinrichtung 33 mit einem Arbeitsor­ gan hydraulisch verbindet und daß die Vorsteueröffnung al­ ternativ mittels eines Steuerkolbens und mittels eines me­ chanischen Schließelementes im Steuerraum 82 schließbar ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ein Magnetventil mit einer Vorsteueröffnung, die einen Steuer­ raum in einem Hauptkolben des Magnetventils und einen rück­ wärtigen Steuerraum des Hauptkolbens voneinander trennt. Diese Vorsteueröffnung ist über einen elektromagnetisch an­ steuerbaren Steuerkolben und ein Schließelement, das in dem im Hauptkolben vorgesehen Steuerraum angeordnet ist, ver­ schließbar. Der Steuerraum im Hauptkolben steht über eine Düse mit einem ersten Anschluß des Sperrventils in hydrau­ lischer Verbindung, während der rückwärtige Steuerraum über eine Düseneinrichtung mit einem zweiten Anschluß des Sperr­ ventils hydraulisch verbunden ist. Das getrennt vom Steuer­ kolben vorgesehene Schließelement ermöglicht eine gut steu­ erbare Fluidströmung vom zweiten Anschluß zum ersten An­ schluß des Sperrventils mit geringen Strömungskräften.

Claims (13)

1. Vorgesteuertes Sperrventil (1) mit
einem Hauptkolben (20), über den eine Verbindung zwischen einem ersten Anschluß (A) und einem zweiten Anschluß (B) auf­ steuerbar ist und der vom am ersten Anschluß (A) herrschen­ den Druck und vom Lastdruck eines hydraulischen Verbrau­ chers am zweiten Anschluß (8) in Öffnungsrichtung und von einem in einem rückwärtigen Steuerraum (35) herrschenden Steuerdruck sowie die Kraft einer Feder (50) in Schließrich­ tung beaufschlagbar ist, und mit
einer im Hauptkolben (20) vorgesehenen, über einen Steuer­ kolben aufsteuerbaren Vorsteueröffnung (61), über die der rückwärtige Steuerraum (35) mit dem ersten Anschluß (A) hy­ draulisch verbindbar ist,
einer im Hauptkolben (20) ausgebildeten Düseneinrichtung (23), über die der rückwärtige Steuerraum (35) mit dem zwei­ ten Anschluß (B) hydraulisch verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorsteueröffnung (61) und dem ersten Anschluß (A) eine Düse (64; 74; 84; 94) ausge­ bildet ist, die in einen im Hauptkolben (20) vorgesehenen Steuerraum (62; 72; 82) mündet, in dem ein Schließelement (63; 73) geführt ist, über das die Vorsteueröffnung verschließ­ bar ist.

2. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Düse (94) einen variablen Öffnungs­ querschnitt hat.

3. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schließelement (63) eine Kugel ist.

4. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 3, wobei die Düse eine Radialbohrung (64) ist.

5. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 4, mit
einer Axialbohrung (60), die den im Hauptkolben vorgesehenen Steuerraum (62) begrenzt, und
einer axial im Hauptkolben vorgesehenen zylinderartigen Halteeinrichtung (65), die ein Herausfallen des Schließele­ ments (63) aus der Axialbohrung (62) verhindert.

6. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 3, wobei der im Hauptkolben (20) vorgesehene Steuerraum (72) durch eine Axialbohrung (70) gebildet ist und die Düse ein Ringspalt (74) ist, der zwischen der Axialbohrung und der Kugel (63) ausgebildet ist.

7. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 6, mit einer radial im Hauptkolben vorgesehenen Halteeinrichtung (75), die ein Herausfallen des Schließelements (75) aus der Axial­ bohrung (70) verhindert und deren Durchmesser (D) kleiner als ein zur Halteeinrichtung benachbart liegender Abschnitt der Axialbohrung (70) ist.

8. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schließelement (63) in einem konischen Bohrungsabschnitt (92) geführt ist, so daß zwi­ schen dem Schließelement (63) und dem Bohrungsabschnitt (92) ein sich zur Vorsteueröffnung (61) erweiternder Rings­ palt ausgebildet ist.

9. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schließelement (63) durch eine Druck­ feder (96) in Richtung zur Vorsteueröffnung (61) vorge­ spannt ist.

10. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 1, wobei das Schließelement (73) einen konusförmigen Abschnitt (73a) zum Verschließen der Vorsteueröffnung (61) aufweist.

11. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 10, wobei die Mittellinie der Düse (84) bezüglich der Achse des Hauptkol­ bens (20) schräg angestellt ist.

12. Vorgesteuertes Sperrventil nach Anspruch 10 oder 11, mit
einer Axialbohrung (80), die den im Hauptkolben (20) vorgese­ henen Steuerraum (82) begrenzt, und
einer radial im Hauptkolben (20) vorgesehenen Halteeinrich­ tung (75), die ein Herausfallen des Schließelements (73) aus der Axialbohrung (80) verhindert und
deren Außendurchmesser (D) kleiner als ein zur Halteein­ richtung benachbart liegender Abschnitt der Axialbohrung (80) ist.

13. Vorgesteuertes Sperrventil nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, wobei die Düseneinrichtung eine Radialboh­ rung (23) ist.