DE2428287A1 - Hydraulisches betaetigungsorgan mit vorsteuerventil - Google Patents

Description

BE 16'028

Beririger-Hydraulik GmbH. - Neuheim /Schweiz

Hydraulisches Betätigungsorgan mit Vorsteuerventil.

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Betätigungsorgan mit einem Gehäuse, einem darin verschiebbaren Kolben und einem die Bewegung dieses Kolbens steuernden, am Gehäuse angeflanschten und einen Kolben aufweisenden Vorsteuerventil, wobei zwischen dem Kolben des Betatigungsorgans und demjenigen des Vorsteuerventils ein längliches, durch Relativbewegungen der beiden Kolben zueinander deformierbares und dadurch eine Rückführungskraft ausübendes Glied angeordnet ist.

Das hydraulische Betätigungsorgan kann irgendein Kolben sein, der von einer Druckflüssigkeit axial in einer Bohrung verschoben wird und dadurch mittels seiner Kolbenstange

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eine Vorrichtung betätigt, jedoch auch beispielsweise ein Wegeventil, welches hydraulisch betätigt wird und dabei seinerseits hydraulisch einen angeschlossenen Verbraucher steuert. Dabei spielt die Anzahl der Wege dieses Wegeventils für die nachfolgenden Betrachtungen keine Rolle; es kann sich also um ein Zweiwegeventil, ein Sechswegeventil oder eines mit einer dazwischenliegenden Anzahl von Wegen handeln.

Das Vorsteuerventil kann beliebig betätigt werden. Bekannt ist beispielsweise eine elektromagnetische Betätigung, so dass man beim angeschlossenen Hauptventil von elektromagnetischer Vorsteuerung spricht. Bei Wegeventilen wird die elektromagnetische Vorsteuerung schon seit langer Zeit angewendet. Dabei erreicht man, dass auch grosse hydraulische Leistungen mit verhältnismässig kleinen elektrischen Leistungen gesteuert werden können, da man hydraulische Energie als Hilfsenergie für die Steuerung verwendet. Es ist auch bekannt, bei zweistufigen Servoventilen zwischen dem Vorsteuerventil und dem Hauptventil eine mechanische Rückführung in Form einer Spiralfeder oder eines Federstabes vorzusehen, da man hiermit eine wesentliche Verbesserung der Regelung und eine grössere Steifheit, d.h. eine stärkere gegenseitige Beeinflussung der Bewegungen des Kolbens des Vorsteuerventils und desjenigen des Hauptsteuerventils erreicht. Dies bedeutet, dass Störgrössen, welche auf das Hauptventil einwirken, zum Beispiel in Form von Reibungskräften oder Strömungskräften, weitgehend unwirksam sind und die Genauigkeit der Regelung kaum beeinflussen.

Die mechanische Rückführung wird meistens so ausgeführt, dass die jeweilige Position des Hauptsteuerkolbens, welche einer Relativverschiebung gegenüber dem Kolben des Vorsteuerventils entspricht, wegen der Elastizität des Feder-

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Stabes eine entsprechende Kraft auf den Kolben des Vorsteuerventils zur Folge hat, welche dann vom letzteren mit der auf ihn einwirkenden Kraft, also beispielsweise mit der Kraft des Betätigungsmagneten, verglichen wird. Jede Differenz zwischen der Magnetkraft und der rückgeführten Federkraft führt somit zu einer entsprechenden Verstimmung der Vorsteuerstufe, d.h. zu einem Ungleichgewicht der Kräfte und damit zu einer Verschiebung des Vorsteuerkolbens, wodurch der Pumpendruck auf diejenige Stirnseite des Hauptkolbens geleitet wird, auf welcher die entsprechende Kraft die genannte Differenz zu verkleinern sucht, bis diese praktisch wieder zu Null wird. Der Hauptsteuerkolben wird aus jeder Stellung heraus mit grosser Kraft der Magnetkraft nachgeführt, was somit bedeutet, dass die Schieberposition proportional zum Magnetstrom regelbar ist.

Wenn nun der Durchfluss durch eine lastunabhängige Mengenregelung (wie z.B. in der Schweizer Patentschrift Nr. 534 dargestellt) direkt von der Schieberstellung, aber nicht vom Lastdruck abhängig ist, dann besteht auch ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom des Magneten und der Durchflussmenge zum Verbraucher. Die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Kolben von hydraulischen Betätigungsorganen kann somit auf beliebige Distanz feinfühlig ferngesteuert oder geregelt werden. Der Grossteil aller bisher bekannten derartigen Proportionalventile verwendet als VorSteuerstufe das sogenannte Düsen-Prallplattensystem oder das Strahlrohrsystem. Hierbei wird mittels einer polarisierten, ein Drehmoment erzeugenden Vorrichtung eine Prallplatte oder ein Rohr, aus dem ein Flüssigkeitsstrahl austritt, je nach Richtung des elektrischen Stromes in die eine oder andere Richtung ausgelenkt, wodurch entsprechende Druckdifferenzen auf die Stirn-

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seite des Hauptsteuerschiebers entstehen, welche diesen somit verschieben. Die Verschiebung hat zur Folge, dass mittels einer Rückführfeder ein Drehmoment erzeugt wird, das dem durch Magnetkraft erzeugenden Drehmoment die Waage hält, wenn das System abgeglichen, d.h. in Ruhe ist. Die Rückführfeder ist dabei meistens formschlüssig mit dem Magnetanker der das erstgenannte Drehmoment erzeugenden Vorrichtung verbunden^während das bewegliche Ende in einer Ringnute des Hauptsteuerkolbens eingreift und von diesem bewegt wird.

Das eingangs erwähnte hydraulische Betätigungsorgan unterscheidet sich von den bisher bekannten Ausführungen erfindungsgemäss dadurch, dass das genannte Rückführungsglied am Kolben des Betätigungsorganes befestigt ist und mit seinem freien Ende am Kolben des Vorsteuerventils angreift.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Betätigungsorgans ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, die einen Längsschnitt durch das Organ mit angeflanschtem Vorsteuerventil zeigt.

Das Betätigungsorgan, hier in Form eines Vierwege-Hauptsteuerventils ist generell mit 1, das angeflanschte Vorsteuerventil mit 2 bezeichnet. Im Gehäuse 3 des Hauptsteuerventils 1 ist ein Kolben 4 axial verschiebbar angeordnet. Dieser Kolben verbindet in bekannter Weise je nach Auslenkung aus der gezeigten Mittel- oder Neutralstellung den einen Anschluss 5 oder den andern Anschluss 6 eines angeschlossenen, nicht dargestellten hydraulischen Verbrauchers mit einer von einer ebenfalls nicht dargestellten Pumpe herkommenden Leitung 7, während der jeweils nicht damit verbundene Anschluss (6 oder 5) mit einem Rücklauf zu einem nicht dargestellten Tank verbunden wird (siehe

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gestrichelt eingezeichnete Stellung des Kolbens 4, in welcher der Anschluss 5 mit der Purapleitung 7 und der Anschluss 6 mit dem ihm zunächst liegenden Rücklauf 8 verbunden ist). Die Wirkungsweise solcher Ventile ist bekannt.

Zu jedem stirnseitigen Ende 9, 10 des Kolbens 4 führt eine Steuerleitung 11, 12, welche vom Vorsteuerventil 2 herkommt. Andererseits führt eine Querbohrung 13 von der Pumpleitung 7 bis in die Bohrung 14 des Vorsteuerventils 2. Diese Querbohrung muss wenigstens in einer zur Bewegung des Kolbens 4 parallelen Richtung genügend breit sein; die Gründe hierfür werden noch erläutert.

An den Uebergängen der Steuerleitungen 11, 12 sowie einer Rückführleitung 16 vom Gehäuse 15 des Vorsteuerventils in das-Gehäuse 3 des Hauptventils 1 sind Dichtungen 17,am Uebergang der Bohrung 13 ein Zwischenring 18 vorgesehen, welcher neben der Abdichtung auch die Zentrierung der beiden Gehäuse 2 und 15 zueinander besorgt.

Das Vorsteuerventil 2 weist zwei Elektromagnete 19, 20 mit Änschlusssteckern-21 auf. Jeder Magnet wirkt auf die zugehörige Stirnseite des Vorsteuerkolbens 22, welcher in der Bohrung 14 axial verschiebbar ist. Der Vorsteuerkolben 22 besitzt an den Einmündungen der Steuerleitungen 11, in die Bohrung'14 Steuerkanten 23. Diese Steuerkanten liegen in der gezeigten Neutralstellung des Kolbens 22 genau an den Rändern der genannten Einmündungen (sogenannte Nullüberdeckung), so dass bei der geringsten Verschiebung des Kolbens 22 jeweils zwei dieser Kanten eine sofortige Oeffnung und damit einen maximalen Anstieg des Druckes in einer der Steuerleitungen bewirken (maximale Drucksteilheit). Damit wird ein sofortiges Ansprechen des Hauptventilkolbens erreicht. '

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Da die Bohrung 14 nur über eine am einen Ende des Kolbens 22 wegführende Leitung, nämlich die Leitung 16, mit dem Rücklauf verbunden ist, weist das Gehäuse 15 einen Verbindungskanal 24 auf, welcher auch das andere Ende des Kolbens 22 mit der Leitung 16 verbindet.

Das Rückführungsglied 25, welches die beiden Kolben 4 und 22 miteinander verbindet, befindet sich in der Bohrung 13. Es ist hier als Federstab ausgebildet, welcher am Kolben 4 in geeigneter Weise befestigt, beispielsweise mittels eines Gewindes in eine entsprechende Bohrung in ihm eingeschraubt ist. Das freie Ende des Federstabes 25 greift in eine Vertiefung 26 im Kolben 22 ein und weist zwei einander gegenüberliegende, quer zur Verschieberichtung des Kolbens 22 verlaufende Berührungsflächen 27 auf, die mit Berührungsflächen 28 am Kolben 22 zusammenwirken, wobei von jedem Paar Flächen 27, 28 wenigstens die eine konvex ist, damit eine möglichst punktförmige /üebertragung der Rückführkraft stattfindet. Am einfachsten werden diese Bedingungen erhalten, wenn man das freie Ende des Federstabes als Kugelkopf ausbildet, der in eine koaxial zur Längsachse des Federstabes 25 im Kolben 22 angeordnete Querbohrung eingreift. Der Federstab ist|zweckmässig als Rundstab ausgebildet, welcher Mantellinien in Form einer kubischen Parabel aufweist, so dass die Biegespannungen über seine ganze Länge konstant bleiben.

Das dargestellte Betätigungsorgan arbeitet wie folgt:

Es sei angenommen, dass der Magnet 19 erregt wird und dadurch den Kolben 22 nach rechts verschiebt. Dadurch wird die Querbohrung 13 mit der Steuerleitung 12 verbunden, und der Druck in der Pumpleitung 7 gelangt auf das stirnsei tige Ende 10 des Kolbens 4, v/elcher dadurch in entgegen-

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gesetzter Richtung, in der Figur also nach links verschoben wird. Damit wird der Anschluss 5 des Verbrauchers mit der Pumpleitung 7 verbunden. Am Vorsteuerventil wird ferner die Leitung IT über den Kanal 24 mit der Rücklaufleitung 16 verbunden, womit das stirnseitige Ende 9 des Kolbens 4 druckentlastet wird. Durch die Bewegung des Kolbens 4 wird' auch der Anschluss 6 mit dem Rücklauf 8 verbunden und ebenfalls druckentlastet.

Die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben 4 und 22 hat eine Durchbiegung des Federstabes 25 zur Folge, wie dies strichpunktiert eingezeichnet ist, wobei zu beachten ist, dass die Verschiebung des Kolbens 22 wegen der erwähnten Nullüberdeckung nur sehr gering zu sein braucht (wenige Zehntelsmillimeter genügen). Immerhin muss die Querbohrung 13, wie früher erwähnt, breit genug sein, um die Verschiebung und Durchbiegung des Federstabes nicht zu behindern. Diese Durchbiegung-bewirkt eine Kraft auf den Kolben 22, die wegen der erwähnten Ausbildung der Flächen 27, 28 axial zum Kolben 22 gerichtet ist und praktisch in dessen Längsachse wirkt. Sie ist umso grosser, je grosser die Auslenkung des Kolbens 4 ist, und wirkt entgegengesetzt der Kraft des erregten Magneten, in diesem Beispiel des Magneten 19. Wird durch das kontinuierliche Zuströmen von Druckflüssigkeit zum Ende 10 des Kolbens 4 dieser mehr und mehr nach links und der Kolben 22 weiter nach rechts verschoben , so wächst diese Rückführkraft an, bis sie schliesslich gleich derjenigen des Magneten 19 wird. Der Kolben 22 bewegt sich nicht mehr weiter, und, da der Druckabfall an der Steuerkante 23 zwischen der Querbohrung 13 und der Steuerleitung 12 demzufolge konstant bleibt, bewegt sich auch der Kolben 4 nicht mehr. Es ergibt sich somit ein Gleichgewicht aller Kräfte? dieses stellt sich jedesmal wieder neu ein, sobald eine der Kräfte sich ändert, sei es

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die Kraft des Magneten 19 oder die Kraft auf den Kolben 4 infolge von Schwankungen des Pumpendruckes. Dies gilt auch beim Abschalten des Magneten; durch den Rückführstab und die hydraulischen Drücke werden die beiden Kolben zwangsläufig wieder in ihre Neutralstellung zurückgeführt.

Wie ersichtlich, ist dieses Gleichgewicht unter anderem von der Federkonstante des Federstabes 25 abhängig. Ein weicher Stab lässt bei gegebener Kraft auf den Kolben 22 eine grössere Verschiebung des Hauptkolbens 4 zu als ein harter Stab, da die Rückführkraft im.letzteren Fall/ welche auf den Kolben 22 zurückwirkt, bei einsetzender Relativverschiebung der Kolben 4 und 22 steiler ansteigt.

Durch die dargestellte Ausbildung des freien Endes des Federstabes 25, insbesondere durch die Ausbildung als Kugelkopf , sowie dadurch, dass der Angriffspunkt dieses freien Endes praktisch auf der Mittellängsachse des Kolbens 22 liegt (gelenkige Lagerung) ist dafür gesorgt, dass die Rückführkraft zentrisch auf den Kolben wirkt. Bei Abweichung von dieser Achse würde ein Drehmoment auf den Kolben 22 wirken, welches ein Verkanten desselben in der Bohrung 14 und damit eine stark erhöhte, die Steuerung verfälschende Reibung zur Folge haben könnte. Zwar verschiebt sich infolge der Durchbiegung des Stabes 25 theoretisch die Wirkungslinie der Rückführkraft aus der Mittellängsachse heraus, diese Verschiebung ist jedoch derart gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Die dargestellte gelenkige Lagerung ist ein besonderer Vorteil gegenüber bekannten Vorrichtungen, bei welchen das Rückführungsglied fest am Vorsteuerkolben und gelenkig am Hauptsteuerkolben gelagert ist, und daher wegen der Länge des Rückführungsgliedes ein beträchtliches Drehmoment auf den Vorsteuerkolben einwirkt.

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Vorteilhaft ist auch die Anordnung des Rückführungsgliedes in einem unter Pumpendruck stehenden Kanal anstatt in einem Rücklaufkanal wie bei den bisher bekannten Vorrichtungen. Damit werden Druckabfälle im Ventil infolge Leckverluste vermieden.

Wie schon erwähnt, muss die Verstellung des Vorsteuerkolbens 22 nicht elektromagnetisch erfolgen. Der Kolben kann auch pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch verstellt werden. Die Funktionsweise der Vorsteuerung in Verbindung mit dem Rückführungsglied ist unabhängig von der Betätigungsart.

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Claims (6)

- IU - Patentansprüche

1.) Hydraulisches Betätigungsorgan mit einem Gehäuse, einem darin verschiebbaren Kolben und einem die Bewegung dieses Kolbens steuernden, am Gehäuse angeflanschten und einen Kolben aufweisenden Vorsteuerventil, wobei zwischen dem Kolben des Betatigungsorganes und demjenigen des VorSteuerventils ein längliches durch Relativbewegungen der beiden Kolben zueinander deformierbares und dadurch eine Rückführungskraft ausübendes Glied angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Rückführungsglied (25) am Kolben (4) des Betätigungsorgans (1) befestigt ist und mit seinem freien Ende am Kolben (22) des VorSteuerventils (2) angreift.

2. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführungsglied (25) ein Stab mit wenigstens zwei an seinem freien Ende quer zur Verschieberichtung des Kolbens (22) des VorSteuerventils(2) angeordneten Berührungsflächen (27) ist, welche Flächen mit zwei Berührungsflächen (28) in diesem Kolben zusammenwirken, wobei von jedem Paar miteinander zusammenwirkende Flächen (27, 28) wenigstens eine derselben konvex ist.

3. Betätigungsorgan nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kugelkopf am freien Ende des Stabes, der sich in einer Vertiefung (26) des Kolbens (22) befindet.

4. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Rückführungsglied (25) in einem vom einen

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Kolben zum andern führenden Raum (13) befindet, der gleichzeitig als Zuleitung für das unter Pumpendruck stehende Steuerfluidum zum Vorsteuerventil dient.

5. Betätigungsorgan nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführungsglied als Rundstab ausgebildet ist, dessen Mantellinien die Form einer kubischen Parabel aufweisen.

6. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführungsglied in eine Bohrung im Kolben (4) des Betätigungsorgans eingeschraubt ist.

Sb/lf 5..6.1974

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