DE2428287C2

DE2428287C2 - Vorgesteuertes hydraulisches Wegeventil

Info

Publication number: DE2428287C2
Application number: DE19742428287
Authority: DE
Inventors: Hubert Neuheim Häussler
Original assignee: Beringer-Hydraulik GmbH, Neuheim, Zug
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1986-06-12
Also published as: NL7407938A; AT334704B; CH556974A; DE2428287A1; FR2235300A1; GB1470818A; ATA499174A; SE410031B; IT1015344B; FR2235300B1; SE7408073L

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes hydraulisches Wegeventil mit einem in einem Gehäuse verschiebbaren Hauptsteuerkolben und einem am Gehäuse angeflanschten Vorsteuerventil, dessen Vorsteucrkolben die Bewegung des Hauptsteuerkolbens des Wegeventils über Steuerleitungen steuert, wobei zwischen dem Haupts:euerkolben des Wegeventils und dem Vorsteuerkolben ein Rückführungsglied vorgesehen ist, welches bei einer Relativbewegung der beiden Kolben zueinander eine Rückführungskraft auf den Vorsteuerkolben ausübt.

Die Arbeitsweise eines vorgesteuerten hydraulischen Wegeventils kann auch auf irgendeinen Kolben angewendet werden, der von einer Druckflüssigkeit axial in einer Bohrung verschoben wird und dadurch mittels seiner Kolbenstange eine Vorrichtung betätigt. Im vorliegenden Fall jedoch steuert das hydraulische Wegeventil seinerseits hydraulisch einen angeschlossenen Verbraucher. 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 Wegeventil 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 I ülfsenergie 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 Vorsteuerkolbens und des Hauptsteuerkolbens 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 Vorsteuerkolben entspricht, wegen der Elastizität des Federstabes eine entsprechende Kraft auf dem Kolben des Vorsteuerkolbens zur Folge hat, welche dann vom letzteren mit der auf ihn einwirkenden Kraft, also beispielsweise mit der Kraft des Betätigunjsmagneten, 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.

In einem bekannten Fall weist ein hydraulisches Betätigungsorgan mit einem Gehäuse, einem darin verschiebbaren Kolben ein die Bewegung dieses Kolbens steuerndes, am Gehäuse angeflanschtes und mit einem Vorsteuerkolben versehenes Vorsieucrveniil auf, wobei zwischen dem Kolben des Bctäligungsorgiins und demjenigen des Vorsteuerventils ein längliches, durch Relativbewegungen der beiden Kolben zueinander deformierbares und dadurch eine Rückführungskraft aus-

übendes Glied angeordnet ist. Dieses Rückführungsglied ist am Kolben des Betätigungsorgans befestigt und greift mit seinem anderen Ende am Kolben des Vorsteuerventils an (FR-PS 13 34 999).

Dieses bekannte Rückführungsglied iveist Nachteile auf. Die Rückführungskräfte werden auf den Vorsteuerkolben über mehrfach gelagerte und abgestützte Gelenkhebel sowie einen zusätzlichen Stößel und ehe Druckfeder Obertragen. Dieses Rückführungssystem ist äußeren Einflüssen vie Verschmutzung der Stößelführung, Reibung an den Gelenken der Hebel sowie unbeabsichtigten Einwirkungen durch äußere Kräfte oder Stöße ausgesetzt. Hinzu kommt, daß dieses Rückführungssystem über Dichtungen aus dem Zylinderinneren herausgeführt bzw. eingeführt werden muß. Hierzu sind auch Abdichtungen der axialen Enden der Kolben gegen Leckageverluste von Hydraulikö! notwendig.

Dem gegenüber liegt der vorliegenden Eriindung die Aufgabe zugrunde, des Rückführungsgiied derart auszubilden, daß sich eine konstruktiv einfache Lösung ergibt, bei der eine im wesentlichen trägheits- und reibungsarme Übertragung der Rückführungskräfte vom Kolben des Wegeventils zum Vorsteuerkolben möglich ist, ohne daß dabei eine Verfälschung der Steuerung durch mechanische Reibungskräfte und auf das Rückführungsgiied einwirkende äußere Kräfte stattfindet.

Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe in einfacher Weise dadurch !ösen läßt, daß das Rückführungsglied ein in einem vom Hauptsteuerkolben des Wege ventils zum Vorsteucrkolben führenden Raum angeordneter länglicher Federstab ist. dessen zum Wegeventil hinweisendes Ende fest an dessen Hauptsteuerkolben sitzt, und dessen zum Vorsteuerventil hinweisendes Ende gelenkig mit dem Vorsteuerkolben in Wirkverbindung steht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.

Ein vorgesteuertes hydraulisches Wegeventil, hier in Form eines Vierwege-Hauptsteuerventils, ist generell mit I, das angeflanschte Vorsteuervemi! mit 2 bezeichnet. Im Gehäuse 3 des Wegeventils 1 ist ein Hauptsteuerkolben 4 axial verschiebbar angeordnet, der in bekannter Weise je nach Auslenkung aus der gezeigten Mittel- oder Neutralstellung den einen Anschluß 5 oder den anderen Anschluß 6 eines angeschlossenen, nicht dargestellten hydraulischen Verbrauchers mit einer von einer ebenfalls nicht dargestellten Pumpe herkommenden Leitung 7 verbindet, während der jeweils nicht damit verbundene Anschluß 6 oder 5 mit einem Rücklauf 8 zu einem nicht dargestellten Tank verbunden wird. (Siehe gestrichelt eingezeichnete Stellung des Hauptsteuerkolbens 4. in welcher der Anschluß 5 mit der Pumpleitung 7 und der Anschluß 6 mit dem ihm zunächstliegenden Rücklauf 8 verbunden ist.) Die Wirkungsweise solcher Ventile ist bekannt.

Zu jedem stirnscitigen Ende 9. 10 des Hauptsteuerkolbens 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 Hauptsteuerkolbens 4 parallelen Richtung genügend breit sein; die Gründe hierfür werden noch erläutert.

An den Übergängen der Steuerleitungen 11. 12 sowie :iner Rückführleimng 16 vom Gehäuse 15 des Vorsteu- :rventils 2 in da.¹ Gehäuse 3 des Wegeventils 1 sind Dichtungen 17, am Übergang 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 Anschlußsteckern 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, 12 in die Bohrung 14 Steuerkanten 23. Diese Steuerkanten liegen in der gezeigten Neutralstellung des Vorsteuerkolbens 22 genau an den Rändern der genannten Einmündungen (sogenannte Nullüberdeckung), so daß bei der geringsten Verschiebung des Vorsteuerkolbens 22 jeweils zwei dieser Kanten eine sofortige Öffnung und damit einen maximalen Aufstieg des Druckes in einer der Steuerleitungen bewirken (maximale Drucksteilheit). Damit wird ein sofortiges Ansprechen des Hauptsteuerkolbens 4 erreicht. Da die Bohrung 14 nur über eine am einen Ende des Vorsteuerkolbens 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 Vorsteuerkolbens 22 mit der Leitung 16 verbindet.

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

Das dargestellte Wegeventil 1 arbeitet wie folg': Es sei angenommen, daß der Magnet 19 erregt wird und dadurch den Vorsteuerkolben 22 nach rechts verschiebt. Dadurch wird die Querbohrung 13 mit der Steuerleitung 12 verbunden, und der Druck in der Pumpleitung 7 gelangt auf das stirnseitige Ende 10 des Haupt-Steuerkolbens 4, welcher dadurch in entgegengesetzter Richtung, in der Figur also nach links verschoben wird. Damit wird der Anschluß 5 des Verbrauchers mit der Pumpleitung 7 verbunden. Am Vorsteuerventil 2 wird ferner die Leitung 11 über den Kanal 24 mit der Rücklaufleitung 16 verbunden, womit das stirnseitige Ende 9 des Hauptstcuerkolbens 4 druckentlastet wird. Durch die Bewegung des Hauptsteuerkolbens 4 wird auch der Anschluß 6 mit dem Rücklauf 8 verbunden und ebenfalls druckentlastet.

b^r> Die gegenläufige Bewegung der beiden Kolben 4 und 22 hat eine Durchbiegung des Federstabes 25 zur Folge, wie dies strichpunktiert eingezeichnet ist. wobei /u be· achten ist. daß die Verschiebung des Vorstenerkolhens

22 wegen der erwähnten Nullüberdeckung nur sehr gering zu sein braucht (wenige Zehntelmillimeter 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 Vorsteuerkolben 22, die wegen der erwähnten Ausbildung der Flächen 27, 28 axial zum Vorsteuerkolben 22 gerichtet ist und praktisch in dessen Längsachse wirkt. Sie ist umso größer, je größer die Auslenkung des Hauptsteuerkolbens 4 ist, und wirkt entgegengesetzt der Kraft des erregten Magneten, in diesem Beispiel des Magneten 19. Wird durch das kontinuierliche Zuströmen von Druckflüssigkeit zürn Ende 10 des ϊ lauptsteuerkolbens 4 dieser mehr und mehr nach links und der Vorsteuerkolben 22 weiter nach rechts verschoben, so wächst diese Rückführkraft an, bis sie schließlich gleich derjenigen des Magneten 19 wird. Der Vorsteuerkolben 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 Hauptsteuerkolben 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 die Kraft des Magneten 19 oder die Kraft auf den Hauptsteuerkolben 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 Neutraisteilung zurückgeführt.

Wie ersichtlich, ist dieses Gleichgewicht unter anderem von der Federkonstanten des Federstabes 25 abhängig. Ein weicher Stab läßt bei gegebener Kraft auf den Vorsteuerkolben 22 eine größere Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 4 zu als ein harter Stab, da die Rückführkraft im letzteren Fall, welche auf den Vorsteuerkolben 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 Vorsteuerkoibens 22 iiegt (gelenkige Lagerung) ist dafür gesorgt, daß die Rückführkraft zentrisch auf den Kolben wirkt. Bei Abweichung von dieser Achse würde ein Drehmoment auf den Vorsteuerkolben 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 Vorsteuerknlben und gelenkig am Hauptsteuerkolben gelagert ist. und daher wegen der Länge des Rückführungsgliedes ein beträchtliches Drehmoment auf den Vorsteuerkolben einwirkt.

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 Leckverlusten 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorgesteuertes hydraulisches Wegeventil mit einem in einem Gehäuse verschiebbaren Hauptsteuerkolben und einem am Gehäuse angeflanschten Vorsteuerventil, dessen Vorsteuerkolben die Bewegung des Hauptsteuerkolbens des Wegeventils über Steuerleitungen steuert, wobei zwischen dem Hauptsteuerkolben des Wegeventils und dem Vorsteuerkolben ein Rückführungsglied vorgesehen ist, welches bei einer Relativbewegung der beiden Kolben zueinander eine Rückführungskraft auf dem Vorsteuerkolben ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführungsglied ein in einem vorn Hauptsteuerkolben (4) des Wegeventils (1) zum Vorsteuerkolben (22) führenden Raum (13) angeordneter länglicher Federstab (25) ist, dessen zum Wegeventil (1) hinweisendes Ende fest an dessem Hauptsteuerkolben (4) sitzt, und dessen zum Vorsteuerventil hinweisendes Ende gelenkig mit dem Vorsteuerkolben (22) in Wirkverbindung steht.

2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Vorsteuerventil hinweisende Ende des Federstabes (25) in eine koaxial zu seiner Längsachse und praktisch auf der Mittellängsachse des Vorsteuerkolbens (22) angeordnete Vertiefung

(26) eingreift.

3. Wegeventil nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (25) an seinem zürn Vorsteuerventil hinweisenden Ende wenigstens zwei quer zur Verschieberichtung des Vorsteuerkolbens (22) angeordnete Berührungsflächen

(27) aufweist, die mit zwei Berührungsflächen (28) im Vorsteuerkolben (22) zusammenwirken, wobei von jedem Paar miteinander zusammenwirkender Flächen (27,28) wenigstens eine konvex ist.

4. Wegeventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Vorsteuerventil (2) hinweisende Ende des Federstabes (25) als Kugelkopf ausgebildet ist.

5. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (13), in dem sich der Federstab (25) befindet, zugleich die Zuleitung für das unter Pumpendruck stehende Steuerfluid zum Vorsteuerventil (2) ist.

6. Wegeventil nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (25) als Rundstab ausgebildet ist, dessen Mantellinien die Form einer kubischen Parabel aufweisen.

7. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (25) in eine Querbohrung des Hauptsteuerkolbens (4) des Wegeventils (1) eingeschraubt ist.