DE3207995C2 - Ventil für das Umsteuern der Kolbenbewegung einer hydraulischen Zylinder-Kolbeneinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil für das Umsteuern der hin- und hergehenden Bewegung eines Kolbens einer Zylin­ der-Kolbeneinheit mit einem durch den Kolben betätigten, in zwei Positionen arretierbaren Steuerschieber, der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist und in den den Endstellungen des Kolbens entsprechenden Positionen einen Einlaß und einen Auslaß für das Arbeitsfluid über Kanäle abwechselnd mit dem Ende den Zylinders in Verbindung bringt.

Ein Hauptproblem beim Umsteuern der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens ist das Ventil. Das Ventil muß eine der beiden Ventilöffnungsstellungen deutlich einnehmen und muß sich aufgrund der Betätigung des Verschiebungs­ teils jeweils zu jeder der beiden Positionen bewegen. Bei der Prüfung des schlimmsten Falls von Betriebsbedingungen muß Sorgfalt verwendet werden, um sicherzustellen, daß in dem Ventil keine "Totpunktstellung" auftreten kann, die dazu führen kann, daß sich das Ventil selber in eine Zwi­ schenstellung zwischen den beiden Betriebsstellungen ein­ stellt. Es wurden verschiedene Arretierungsvorrichtungen verwendet, um eine formschlüssige Ventilpositionierung bereitzustellen und es wurden formschlüssige Ventilstops in den Aufbau eingearbeitet, um das Ventil daran zu hin­ dern, über die vorbestimmte Haltestellung hinaus zu wan­ dern. Da das Ventil den Strömungsfluß des hydraulischen Drucköls steuert, muß eine gute Dichtung in dem Ventil vorgesehen werden, um eine Ölleckage zu verhindern, auch nach Millionen von Betriebszyklen.

Um die Auslegungserfordernisse eines solchen hin- und hergehend arbeitenden Ventils zu erfüllen, wurde im Stand der Technik eine Ventilkonstruktion mit einem federbeauf­ schlagten Arretierungsmechanismus für ein formschlüssiges Anhalten der Bewegung des Ventils in jeder der beiden Richtungen verwendet. Zum Beispiel ist in dem schwedi­ schen Patent Nr. 63 691 eine typische Ventilkonstruktion dargestellt, die allgemein zum Umsteuern der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens verwendet worden ist.

In der US-Patentschrift Nr. 4 079 660 ist eine Ventilkon­ struktion offenbart, bei der ein zylindrisch geformter Ventilschieber in einem mit verschiedenen Öffnungen in Strömungsverbindung stehenden Zylinder verschiebbar ist. Der Ventilschieber selber ist mit Ausnehmungen versehen, um eine Ölströmungsverbindung zu schaffen. Des weiteren wird der Ventilschieber von einer Stange betätigt, die mit dem Kolben in der Nähe der Extremstellung des Kolben­ wegs in Berührung tritt. Formschlüssige Ventilarretierun­ gen sind vorgesehen um sicherzustellen, daß das Ventil nicht über jede der Arretierungspositionen hinaustritt. Bei solchen Ventilen ist der Ventilschieber aus Material mit relativ hoher Massendichte gebildet, was ausreicht, um dem Öldruck und den wiederholten mechanischen Berüh­ rungen mit den Arretierungen zu widerstehen. Dieser Kon­ takt erzeugt jedesmal, wenn das Ventil hin- und herfährt, ein hörbares Geräusch und verstärkt den Gesamtgeräuschpe­ gel des Betriebs eines solchen Motors. Aufgrund der rela­ tiv hohen Masse des Ventilschiebers muß der Bewegungsmechanismus ebenfalls eine massive Konstruktion sein, was insgesamt die Auslegungskosten sowie die Her­ stellungskosten eines solchen Ventils erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei kostengün­ stiger Ausbildung und ohne die Sicherheit zu beeinträch­ tigen, ein Ventil von geringer Masse zu schaffen, das verbesserte Positionier- und Geräuschentwicklungseigen­ schaften aufweist.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung in der Ausführung von Ventilen für das Umsteuern der hin- und hergehenden Bewegung dar und schlägt ein Ventil mit ge­ ringer Masse und einer formschlüssigen Verschiebung zwi­ schen zwei Ventilpositionen vor, wobei die hörbaren Ge­ räusche während der Betätigung des Ventils signifikant verringert werden. Das Ventil verwendet einen festen Ven­ tilkörper, in dem Ventildurchflüsse vorgesehen sind, eine verschiebbare Hülse, die über den zylindrischen Ventil­ körper zum wahlweisen Öffnen und Verschließen der Durch­ gänge passend verschieblich ist. Die Hülse ist mit einer leichten Trägeranordnung zur Gleitbetätigung verbunden, wobei diese Trägeranordnung in Wirkverbindung mit einer Schubstange steht, die von dem hin- und hergehenden Kol­ ben betätigt wird. Ein kleiner federbeaufschlagter Ar­ retierungsmechanismus wird verwendet, um die Trägeranord­ nung in jeder der beiden Positionen formschlüssig zu po­ sitionieren.

Im folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Kolbenven­ tils unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine perspektivische Ansicht des Kolbenven­ tils,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Erfindung, die in ei­ nem Zylinder eingesetzt ist,

Fig. 3 ein Querschnitt durch ein Teil des Anmel­ dungsgegenstandes in einer zweiten Betäti­ gungsposition,

Fig. 4 ein vereinfachtes Diagramm gemäß der Erfin­ dung.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine Kolbenventilanordnung 10 in perspektischer Ansicht dargestellt ist. Es ist ein Steuerblock 12 mit darin aus­ gebildeten Kanälen vorgesehen, wobei ein Eingangs- sowie ein Ausgangsanschluß 14 bzw. 18 in diesen Steuerblock eingeschraubt sind. Mit dem Einlaßanschluß 1-4 ist eine hydraulische Druckleitung verbunden, während mit dem Aus­ gangsanschluß eine Rückführungsleitung verbunden ist, um das Öl zur Quelle zurückzubringen. Der Steuerblock 12 weist einen zylindrischen Ventilkörper 20 auf, in welchem ebenfalls Kanäle vorgesehen sind, von denen einer, der Kanal 22, der sich seitlich durch den Ventilkörper 20 öffnet, in Strömungsverbindung mit dem Anschluß 18 steht. Ein weiterer Kanal 33, öffnet sich ebenfalls zur Seite des Ventilkörpers 20 hin und steht mit einem Einlaß 32 (Fig. 2) in Strömungsverbindung. Über ein nicht darge­ stelltes äußeres Rohr oder einen Schlauch steht ein An­ schluß 16 mit einem Einlaß 37 in Verbindung.

Um den zylindrischen Ventilkörper 20 ist eine Schieber­ hülse 24 angeordnet, die zwar verschieblich ist, jedoch auch abdichtend wirkt. Sie weist eine ringförmige Nut 27 auf, in welcher die jeweiligen Enden eines U-förmigen Trägers 26 eingreifen. Mit dem Träger 26 ist eine Schub­ stange 30 mittels eines Befestigungselements 31 verbun­ den. An seinem unteren Ende weist der Ventilkörper 20 eine vergrößerte Schulter 36 auf. Diametral durch die Schulter 36 verläuft eine Bohrung, in welcher eine feder­ betätigte Arretierungsvorrichtung angeordnet ist.

In Fig. 2 ist die Arretierungsvorrichtung im Querschnitt dargestellt, wobei eine Schraubfeder 18 zwischen zwei Ku­ geln 40 und 42 zusammengedrückt ist. Die Kugeln 40 und 42 werden nach außen gegen den Träger 26 gedrückt und setzen sich zum Teil in in dem Träger 26 ausgebildete Löcher, die einen kleineren Durchmesser aufweisen, als die jewei­ ligen Kugeldurchmesser. Zum Beispiel sind Löcher 44 und 46 vorgesehen, die eine derartige Größe aufweisen, um einen teilweisen Sitz der Kugel 40 zu bilden. Hierdurch wird ein Arretierungsmechanismus gebildet. In gleicher Weise sind Löcher 48 und 50 für einen Sitz der Kugel 42 vorgesehen.

Die Schubstange 30 erstreckt sich nach unten durch eine Öffnung 52 in einem Kolben 35. Das untere Ende der Schub­ stange 30 weist einen reduzierten Durchmesser 54 auf, an welchem zwei verschiebliche Kappen 55 und 56 aufgepaßt sind, zwischen denen eine Schraubenfeder 60 angeordnet ist. In das Ende der Schubstange 30 ist ein Befestigungs­ element 62 eingeschraubt, um die aus den Kappen 55, 56 und der Schraubenfeder 60 bestehende Einheit am Ende der Stange 30 in Lage zu halten. In Fig. 2 ist der Kolben 35 in seiner unteren Umkehrposition dargestellt. Wie zu er­ kennen ist, berührt die untere Seite des Kolbens 35 die Kappe 55 und hat den Träger 26 so bewegt, daß er in seine untere Arretierungsstellung verschoben worden ist. Wenn der Kolben 35 in die obere Umkehrstellung zurückkehrt, tritt die Kappe 56 mit der Fläche 58 in Berührung, um den Prozeß umzukehren.

In Fig. 3 ist der Träger 26 in seiner oberen Position dargestellt, wobei die Kugel 40 in dem Loch 46 und die Kugel 42 in dem Loch 50 sitzt. In dieser Stellung ist die Schieberhülse 24 in eine Sperrstellung in Bezug auf den Kanal 42 und in eine Öffnungsstellung in Bezug auf den Kanal 33 verschoben. Der Kanal 33 steht in Strömungsver­ bindung mit dem Einlaßkanal 32, weshalb es dem unter Druck stehenden Öl gestattet ist, durch den Einlaß 32 in einen Zylinder 45 zu fließen. Der Auslaßkanal 34 ist von dem Inneren des Zylinders 45 abgesperrt.

Neben dem Ventilkörper 20 ist in dem Steuerblock 12 eine ringförmige Ausnehmung 23 ausgebildet. Die ringförmige Ausnehmung 23 ist so bemessen, daß sie den oberen Rand der Hülse 24 aufnehmen kann. In gleicher Weise ist in der Schulter 36 neben dem Ventilkörper 20 eine ringförmige Ausnehmung 25 ausgebildet, die so bemessen ist, daß sie den unteren Rand der Hülse 24 aufnehmen kann. Die ring­ förmigen Ausnehmungen 23 und 25 arbeiten in Verbindung mit der Hülse 24, um ein hydraulisches Kissen oder einen Stoßdämpfereffekt zu bewirken, wenn immer der Träger 26 von einer Arretierungsposition in die andere übergeführt wird. Während des Betriebs sind die ringförmigen Ausneh­ mungen stets mit etwas Hydrauliköl gefüllt; die Passung zwischen der Hülse 24 und jeder Ausnehmung ist genügend eng, so daß das eingeschlossene Hydrauliköl als ein hydraulisches Polster für die Hülse 24 wirkt, und jeweils ein harter mechanischer Kontakt mit den jeweiligen End­ punkten vermieden wird.

Der Betriebsablauf wird anhand des vereinfachten Dia­ gramms der Fig. 4 erklärt.

Die axiale Kraft F1 wirkt gegen den Ventilkörper selber und nicht gegen irgendeine bewegliche Komponente in dem Ventil. Die Kraft hat daher keine Einwirkungen auf die Schieberhülse 24, weshalb die hydraulischen Grundkräfte, welche zu einer Instabilität führen, bei der Erfindung ausgeschaltet sind. Des weiteren sind die ringförmigen Ausnehmungen 23 und 25 in Fig. 4 dargestellt und es ist offensichtlich, daß das Gleiten der Hülse 24 in eine jede dieser Ausnehmungen einen Dämpfungseffekt bewirkt, um den Aufprall der Hülse 24 in den jeweiligen Endstellungen ge­ gen den Ventilkörper abzudämpfen. Dieser Dämpfungseffekt reduziert den mechanischen Stoß und dabei das mechanische Geräusch, wodurch die Lebensdauer und die Wirksamkeit günstig beeinflußt werden.

Wenn sich der Träger 26 während des Betriebs in seiner oberen Stellung befindet (Fig. 3) wird über den Einlaß 32 Drucköl in den oberen Bereich des Zylinders 45 einge­ führt. Gleichzeitig wird das Drucköl dem Einlaß 37 zuge­ führt, welcher mit dem Zylinderanschluß 16 über eine äu­ ßere Verbindung (nicht dargestellt) in Strömungsverbin­ dung steht. Da die Fläche des Kolbens 35, die dem oberen inneren Bereich des Zylinders 45 zugewandt ist größer ist als der Bereich des Kolbens 35, der dem unteren Innenbe­ reich des Zylinders 45 zugeordnet ist, der mit dem Einlaß 37 in Verbindung steht, wird eine resultierende, nach un­ ten gerichtete Druckkraft über der Oberfläche des Kolbens 35 entwickelt. Diese resultierende Kraft bewirkt eine Be­ wegung des Kolbens 35 nach unten, welche so lange andau­ ert, bis ein Kontakt mit der Kappe 55 eintritt. Wenn der Kolben 35 die Kappe 55 berührt, beginnt er, die Feder 60 zusammenzudrücken. Eine weitere Abwärtsbewegung des Kol­ bens 35 führt zu einer Zunahme des Zusammendrückens der Feder 60; diese resultierende abwärts gerichtete Kraft auf die Schubstange 30 überschreitet bald die Arretie­ rungskräfte, die den Träger 26 in der oberen Stellung halten. In dem Moment, in dem dieses geschieht, bewegen sich die Stange 30 und der Träger 26 aufgrund der Feder­ kraft 60 schnell nach unten, bis die Hülse 24 in Kontakt mit den ringförmigen Ausnehmungen 25 tritt. Die Ölansamm­ lung in der Ausnehmung 25 dämpft hydraulisch den scharfen Aufprall der Hülse 24 gegen die Ausnehmung 25; die Arre­ tierungskräfte der Feder 38 und der Kugeln 40 und 42, die gegen die entsprechenden Löcher 46 und 50 in dem Träger drücken, positionieren diesen in eine stabile zweite Lage. In dieser zweiten Lage wird das Drucköl vor einem Eintreten in das Innere des Zylinders 45, außer über den Einlaß 37 am Boden des Kolbens 35, abgesperrt. Gleichzei­ tig wird der Kanal 22 frei, wodurch dem Öl gestattet ist, in den oberen Bereich des Zylinders 45 einzufließen und durch die Auslaßöffnung 34 auszutreten. Die Druckentla­ stung, die durch den Kanal 22 geschaffen wird, bewirkt zusammen mit dem durch den Einlaß 37 eintretenden Drucköl eine resultierende, nach oben gerichtete Kraft gegen den Kolben 35 und die nach oben gerichtete Bewegung schreitet so lange fort, bis die Kappe 56 in Kontakt mit der Fläche 58 tritt.

Nun beginnen wieder die Druckkräfte der Feder 60 zu wir­ ken und schließlich wird der Träger 26 in eine obere Stellung gefahren und die Kugeln 40 und 42 wieder in ihre zweite Stellung in den Trägerlöchern 44 und 48 einge­ setzt. Die ringförmige Ausnehmung 23 dämpft mechanischen Stoß, der sonst während des Hochschnellens des Trägers 26 beim Auftreffen der Hülse 24 auf den Steuerblock 12 ent­ stehen würde.

Claims (4)

1. Ventil für das Umsteuern der hin- und hergehenden Be­ wegung eines Kolbens einer Zylinder-Kolbeneinheit mit einem durch den Kolben bestätigten, in zwei Positionen arretierbaren Steuerschieber, der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist und in den den Endstellungen des Kolbens entsprechenden Positionen einen Einlaß und einen Auslaß für das Arbeitsfluid über Kanäle abwech­ selnd mit dem Ende des Zylinders in Verbindung bringt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber als Schieberhülse (24) ausgebildet ist, die auf einem in den Zylinder (45) hineinragenden zylindrischen Ventil­ körper (20) gleitet, daß in dem zylindrischen Ventil­ körper (20) die den Einlaß (32) und den Auslaß (34) mit dem Ende des Zylinders (45) verbindenden Kanäle (22, 33) ausgebildet sind, welche am Umfang des zylin­ drischen Ventilkörpers (20) in axial übereinander an­ geordneten, durch die Schieberhülse (24) in den End­ stellungen des Kolbens (35) abwechselnd geöffneten bzw. geschlossenen Einlaß- und Auslaßöffnungen münden.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieberhülse (24) durch einen als U-förmiger Bü­ gel ausgebildeten Träger (26) mit einer an dem Kolben (35) befestigten Stange (30) zusammengekoppelt ist, wobei der Träger Abstandshalter (28, 29) zum konzentri­ schen Halten des Trägers (26) in Bezug auf den Zylin­ der (45) aufweist und mit den Enden des U-förmigen Bü­ gels in eine ringförmige Nut (27) der Schieberhülse (24) eingreift.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem Ventilkörper (20) eine Schulter (36) mit einer Nut (25) zur teilweisen Aufnahme der Schieberhülse vorgesehen ist und daß in einer am Ende des Zylinders (45) angeordneten Abschlußkappe eine Nut (23) zur teilweisen Aufnahme der Schieberhülse (24) ausgebildet ist.

4. Ventil nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, mit Arretierungsmitteln zum Halten der Schieberhülse (24) in den jeweiligen Positionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierungsmittel einen diametral durch den Ventilkörper (20) verlaufenden Durchgang aufweisen, in welchem ein Kugelpaar (40, 42) sowie eine zwischen den Kugeln angeordnete Druckfeder (38) vorgesehen ist, wobei die Kugeln gegen den Träger (26) gedrückt wer­ den, der vier Löcher (44, 46, 48, 50) aufweist, die so bemessen sind, daß sie die Kugeln (40, 42) teilweise aufnehmen.