-
Hydraulisches Wegeventil
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Wegeventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solches Wegeventil aus der
DE-OS 27 17 384 bekannt, bei dem der in einer Schieberbohrung geführte Längsschieber
einer Hauptsteuerstufe an einem Kolbenabschnitt sowohl Feinsteuerausnehmungen als
auch Druckausgleichs-Ringnuten aufweist. An dem die Verbindungen von einer Motorkammer
zur Zulaufkammer bzw. zur Rücklaufkammer steuernden Kolbenabschnitt sind diese dem
Druckausgleich dienenden Entlastungsrillen nur im Bereich der Motorkammer angeordnet,
während beiderseits davon zur Feinsteuerung dienende Steuerkerben am Kolbenabschnitt
ausgebildet sind. Von Nachteil bei dieser Bauart des Längsschiebers ist, daß am
Kolbenabschnitt im Bereich der Steuerkerben sich relativ große, nicht druckausgeglichene
Flächen ausbilden können, die bei einseitiger Druckbelastung des Längsschiebers
zu einer Erhöhung der Reibkräfte führen können. Obwohl der Längsschieber zur Feinsteuerung
dienende Steuerkerben aufweist, eignet sich das Wegeventil mehr für
große
Durchflußströme und sein Längsschieber erfordert große Betätigungskräfte.
-
Ferner ist aus der DE-OS 29 19 109 ein hydraulisches Wegeventil bekannt,
bei dem die zur gegenseitigen Berührung vorgesehenen Flächen am Kolbenschieber und
an der Wand der Schieberbohrung fein verarbeitet werden, um so Kolbenschieber und
Schieberbohrung mit einer sehr engen Herstellungstoleranz zu fertigen. Trotz sorgfältigster
Herstellung können sich zwischen den zylindrischen Umfangsabschnitten von Kolbenschieber
und Bohrungswand kleinste und unvermeidliche Abweichungen ergeben, die zur Ausbildung
von flächigen Drucktaschen führen, in die das anstehende Druckmittel eindringt.
-
Von dem Druck in solchen Drucktaschen wird der Kolbenschieber an seinem
gegenüberliegenden Umfangsbereich fest an die Bohrungswand gepresst, was zu erhöhten,
einer Verstellbewegung des Längsschiebers sich widersetzenden Reibkraften führt.
Unter Umständen kann dadurch die Betatigungskraft des Stellmagneten oder einer Rückstellfeder
nicht mehr zur einwandfreien Verstellung des Längsschiebers ausreichen. Um solche
Reibungskrafte zu verringern, sind hier in der Wand der Schieberbohrung Entlastungs-Ringnuten
angeordnet. Auch bei dieser Anordnung der Entlastungs-Ringnuten ergeben sich meist
dann besonders große Betatigungskräfte, wenn der Kolbenschieber längere Zeit in
einer bestimmten Stellung ruht. Für eine ausreichende Funktionsicherheit solcher
Wegeventile mußten deshalb die Stellmagnete bzw. die Federn entsprechend stärker
und damit größer ausgelegt werden, als dies eigentlich
für die ordnungsgemäße
Betätigung erforderlich gewesen wäre. Die Anordnung der Entlastungs-Ringnuten in
der Innenwand des Gehäuses ist ferner auch aufwendiger und damit teuerer als die
Anordnung solcher Nuten in der Außenwand eines Steuerschiebers. Weiterhin hat dieses
Wegeventil den Nachteil, daß sein Längsschieber keine Feinsteuerausnehmungen aufweist
und sich daher schlecht zur proportionalen Steuerung kleiner Druckmittelmengen eignet.
Obwohl die Entlastungs-Ringnuten im Gehäuse die hydraulische Zentrierung des Längsschiebers
verbessern, können sich in den Wandabschnitten zwischen den relativ schmalen Entlastungsnuten
immer noch, wenn auch kleinere, Drucktaschen ausbilden, und damit zu einer Erhöhung
der Reibkräfte führen.
-
Ferner ist aus dem Fachbuch "Oil Hydraulic Power and its Industrial
Applications", Walter Ernst, McGraw-Hill Book Company 1960, second edition, Seite
266, Figur 10.38 ein elektromagnetisch betätigtes, hydraulisches Wegeventil bekannt,
dessen Längsschieber einen Kolbenabschnitt aufweist, an dem Entlastungs-Ringnuten
sowie Steuerkerben angeordnet sind. Dieses Wegeventil arbeitet mit negativer Überdeckung,
da eine Motorkammer über die Feinsteuerkerben in einem Kolbenabschnitt in der Ausgangsstellung
des Längsschiebers gleichzeitig mit einer Zulaufkammer und einer Rücklaufkammer
verbunden ist. Ein Teil der Entlastungs-Ringnuten am Kolbenabschnitt liegt hierbei
im Bereich der Motorkammer, so daß sie in Ausgangslage des Längsschiebers garnicht
wirksam werden können. Der andere Teil der Entlastungsnuten, der im Bereich der
Schieberbohrung liegt, wird von den Feinsteuerkerben durchdrungen und kann somit
auch nicht voll wirksam werden.
-
Obwohl sich das Wegeventil durch die Steuerkerben zur Steuerung kleiner
Durchflußmengen eignet, hat diese Anordnung von Steuerkerben und Entlastungs-Ringnuten
den Nachteil, daß die Entlastungs-Ringnuten die Durchflußkennlinie störend beeinflussen.
-
So führt jede aus der Schieberbohrung in die Motorkammer austauchende
Entlastungsnut zu einem treppenförmigen Knick in der Durchflußkennlinie. Die an
sich stetig und leicht gekrümmt verlaufende Durchflußkennlinie bei derartigen Steuerkerben
weist daher entsprechend der Anzahl der austauchenden Entlastungs-Ringnuten sprungförmige
Unstetigkeitsstellen auf, die sich besonders bei der Steuerung kleiner Druckmittelströme
unangenehm bemerkbar machen. Ferner können die Schiebers stege zwischen zwei Entlastungsnuten
nach dem Eintauchen in die Schieberbohrung Drucktaschen bilden, die bei Druckbeaufschlagung
zu einseitig wirkenden, radialen Kräften führen und damit die Reibung erhöhen.
-
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemaße Wegeventil mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei ihm unter Beibehaltung
der mit Feinsteuerausnehmungen erzielbaren Durchflußcharakteristik die Schieberreibkräfte
noch weiter reduziert werden.
-
Durch die Ausbildung der Druckausgleichsfläche in einer einzigen Entlastungs-Ringnut,
die möglichst breit und sehr flach gehalten ist, ergibt sich eine bessere hydraulische
Zentrierung des Langsschiebers und damit geringere Reibkräfte im Betrieb. Die Größe
der Druckausgleichsfläche im Bereich eines dichtenden, stegförmigen Bohrungsabschnittes
kann nun wesentlich größer
gehalten werden, als dies bei einer Vielzahl
von einzelnen Entlastungsrillen möglich ist. Die sehr geringe Einstichtiefe der
Entlastungs-Ringnut am Kolbenabschnitt reicht für die Funktion des Druckausgleichs
vollkommen aus, beeinflußt aber die Durchflußkennlinie kaum, zumindest nicht in
störender Weise. Zudem läßt sich der Längsschieber einfach und billig herstellen.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Wegeventils
möglich. Sie unterstützen vor allem einen wirksamen Druckausgleich und damit verringerte
Reibungskräfte am Längsschieber, ohne dabei die durch die Feinsteuerausnehmung bedingte
Durchflußkennlinie in erheblicher Weise störend zu beeinflussen.
-
Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines ersten Wegeventiles, Figur 2 einen Querschnitt
nach II-II in Figur 1 durch den Längsschieber, Figur 3 die Durchflußkennlinie für
das Wegeventil nach Figur 1, Figur 4 zum Vergleich die Durchflußkennlinie bei einem
vorbekannten Wegeventil und Figur 5 einen Langsschnitt durch einen Teil eines zweiten
Wegeventils.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Figur 1 zeigt einen Teil
eines Wegeventiles 10, dessen Gehäuse 11 in einer Schieberbohrung 12 einen
dichtend
und gleitend geführten Längsschieber 13 aufnimmt. In der Schieberbohrung 12 ist
eine unter hohem Druck stehende erste Kammer 14 ausgebildet, neben der eine zweite
Kammer 15 liegt, in der ein niedriges Druckniveau herrscht. Zwischen den beiden
Kammern 14 und 15 ist ih der Schieberbohrung 12 ein stegförmiger Bohrungsabschnitt
16 ausgebildet, in dem der Steuerschieber 13 mit einem Kolbenabschnitt 17 dichtend
und gleitend geführt ist.
-
Der Kolbenabschnitt 17 trägt eine sehr breite und relativ flache Entlastungs-Ringnut
18 wodurch am Kolbenabschnitt 17 ein erster, zur ersten Kammer 14 hin gewandter
Steuerbund 19 sowie ein zweiter, zur zweiten Kammer 15 hin angrenzender Steuerbund
21 ausgebildet sind. Die Steuerbünde 19, 21 sind fein bearbeitet und somit mit sehr
geringer Herstellungstoleranz in der Schieberbohrung 12 geführt. Als Feinsteuerausnehmung
sind am Kolbenabschnitt 17 diametral zueinander zwei Steuerkerben 22 ausgebildet,
wie dies Figur 2 auch naher zeigt. Die Steuerkerben 22 haben ihren größten Öffnungsquerschnitt
zur ersten Kammer 14 hin und enden mit ihren Spitzen im zweiten Steuerbund 21, so
daß sie die Entlastungs-Ringnut 18 voll durchdringen. Die von den Steuerkerben 22
belassene Umfangsfläche der Entlastungs-Ringnut 18 bildet die eigentliche Druckausgleichsfläche
23 am Kolbenabschnitt 17. Die Entlastungs-Ringnut 18 ist möglichst breit ausgeführt,
so daß einerseits die Führung des Längsschiebers 13 in der Schieberbohrung 12 und
andererseits noch die Abdichtung durch den zweiten Steuerbund 21 zwischen den Kammern
14 und 15 gewährleistet ist. Die Einstichtiefe der Entlastungs-Ringnut 18 ist so
klein gewählt, daß einerseits gerade noch ein Druckausgleich über lie
Ringnut
18 stattfinden kann, während andererseits die durch die Geometrie der Steuerkerbe
22 vorgegebene Durchflußkennlinie kaum beeinflußt wird. Bei einem Außendurchmesser
des Längsschiebers 13 von ca. 12 mm beträgt die Einstichtiefe der Entlastungsringnut
18 etwa 2,5 hunderstel Millimeter; die Einstichtiefe der Ringnut 18 ist deshalb
in Figur 1 in übertriebener Weise dargestellt.
-
Die Wirkungsweise des Wegeventils 10 nach Figur 1 wird wie folgt erläutert,
wobei auch auf Figur 3 Bezug genommen wird, deren Kennlinie 24 den Durchfluß Q in
Abhängigkeit vom Hub s des Längsschiebers 13 zeigt. In der gezeichneten Ausgangslage
des Längsschiebers 13 blockiert der zweite Steuerbund die Verbindung zwischen den
Kammern 14 und 15. Der in der ersten Kammer 14 anstehende, hohe Druck baut sich
über die Steuerkerben 22 auch in der Entlastungs-Ringnut 18 auf und zentriert den
Kolbenabschnitt 17. Im Bereich zwischen den Steuerbünden 19 und 21 befinden sich
somit keine druckunausgeglichenen Flächen mehr, die eine einseitige radiale Anpressung
des Kolbenabschnitts 17 an den Bohrungsabschnitt 16 und damit erhöhte Reibungskräfte
hervorrufen könnten. Wird der Kolbenabschnitt 17 nach rechts bewegt, so öffnen die
Steuerkerben 22 eine Verbindung von der ersten (14) zur zweiten Kammer 15. Infolge
der Geometrie der Steuerkerbe 22 wird dabei die in Figur 3 dargestellte, stetig
gekrümmte Kennlinie 24 erreicht. Taucht hierbei der Rand zwischen zweitem Steuerbund
21 und Entlastungs-Ringnut 18 in die zweite Kammer 15 ein, so ergibt dies in der
Kennlinie 24 am Punkt 25 zwar einen kleinen Knick, der Verlauf
der
Kennlinie 24 bleibt jedoch nahezu unverändert erhalten. Erreicht wird dies vor allem
durch die nur wenige hunderstel Millimeter tiefe Entlastungs-Ringnut 18, die den
wirksamen Durchflußquerschnitt nur unwesentlich beeinflussen kann. Auch mit zunehmendem
Hub des Längsschiebers 13 bleibt die Zentrierung des Kolbenabschnitts 17 in der
Schieberbohrung 12 weitgehend erhalten.
-
Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Bauart nach Figur 1 bis 3 zeigt
die Figur 4 eine Kennlinie 26 für ein vergleichbares vorbekanntes Wegeventil. Dabei
sind in der Kennlinie 26 deutlich an den Stellen 27, 28 und 29 treppenartige Sprünge
zu erkennen, die jedesmal dann entstehen, wenn eine der an sich bekannten, üblichen
Entlastungs-Ringnuten aus der Schieberbohrung in eine Kammer austauchen. Solche
Unstetigkeiten an den Stellen 27 bis 29 werden durch die Anordnung und die Ausbildung
einer einzigen Entlastungs-Ringnut 18,wie dies Figur 1 näher zeigt, vermieden. Bei
einem mit kleiner Toleranz in der Schieberbohrung 12 geführten Längsschieber 13
wird daher die Gefahr verringert, daß durch kleinste und unvermeidliche Abweichungen
in der Fertigung sich Drucktaschen bilden und den Längsschieber in radialer Richtung
gegen die Schieberbohrung drücken, was zu erhöhten Reibungskräften führen könnte.
Der Längsschieber 13 ist daher besonders leicht aus seiner Lage zu bewegen und erfordert
geringere Verstellkräfte. Magnetantriebe und Rückstellfedern können daher bei gleichbleibender
Funktionssicherheit entsprechend kleiner ausgelegt werden. Auch bei längerem Verweilen
des Längsschieber 13 in seiner Ruhelage
wird durch die verbesserte
hydraulische Zentrierung erreicht, daß die Verstellkräfte niedrig bleiben. Das Wegeventil
10 eignet sich in vorteilhafter Weise zur Steuerung kleiner Durchflußmengen, da
der durch die Geometrie der Feinsteuerausnehmung bedingte Verlauf der Kennlinie
24 weitgehend erhalten bleibt und die einzige kleine Unstetigkeit an der Stelle
25 kaum stört.
-
Die Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Wegeventil
30, das als proportional arbeitendes, 4-Wegeventil ausgebildet ist. Sein Gehäuse
31 weist in üblicher Weise eine Zulaufkammer 32, zwei Motorkammern 33, 34 sowie
zwei miteinander verbundene Rücklaufkammern 35 und 36 auf, die von einer Schieberbohrung
37 durchdrungen werden. Ein in der Schieberbohrung 37 dicht und gleitend geführter
Längsschieber 38 hat zur Steuerung der Verbindung zwischen diesen Kammern 32 bis
36 vier Kolbenabschnitte 39, 41, 42, 43; an jedem Kolb~enabschnitt 39 bis 43 sind
diametral zueinander zwei Steuerkerben 44 ausgebildet, die als Feinsteuerausnehmungen
dienen.
-
Entsprechend wie beim Wegeventil 10 nach Figur 1 durchdringen die
Steuerkerben 44 jeweils eine zugeordnete Entlastungs-Ringnut 45, die möglichst breit
und sehr flach ausgebildet ist. An jedem Kolbenabschnitt 39 bis 43 trennt die Entlastungs-Ringnut
45 einen ersten Steuerbund 46 von einem zweiten Steuerbund 47. An den zweiten Steuerbund
47 schließt sich jeweils über eine Entlastungsrille 48 ein dritter Steuerbund 49
an; die Einstichtiefe der Entlastungsrille 48 ist wesentlich größer als diejenige
der Entlastungs-Ringnut 45, insbesondere beträgt sie mehr als das Zehnfache.
-
Die Entlastungsrille 48 sowie der dritte Steuerbund 49 an jedem Kolbenabschnitt
39 bis 43 liegen in der Ausgangsstellung des Steuerschiebers 38 jeweils außerhalb
der zwischen den Kammern 32 bis 36 ausgebildeten, stegförmigen Bohrungsabschnitte
51. Der Steuerschieber 38 ist in nicht näher gezeichneter Weise durch Rückstellfedern
in seiner Ausgangsstellung zentriert und ist mit Hilfe eines elektromagnetischen
Antriebs über die Stößel 52 nach beiden Seiten hin auslenkbar.
-
Die Wirkungsweise des Wegeventils 30 wird wie folgt beschrieben: Das
Wegeventil 30 kann in üblicher Weise als proportional arbeitendes, 4-Wegeventil
betrieben werden, wobei durch die Ausbildung und Anordnung der Steuerkerben 44 an
den Kolbenabschnitten des Längsschiebers 38 die Schieberreibkräfte erheblich reduziert
und die Durchflußcharakteristik infolge der Geometrie der Feinsteuerausnehmungen
44 beibehalten werden kann. Für eine ausreichende Funktionssicherheit können daher
die Rückstellfedern und die Magnetantriebe relativ klein ausgelegt werden, da die
erforderlichen Stellkräfte zum Verschieben des Längsschiebers 38 auch in Grenzfällen
klein gehalten werden.
-
Selbstverständlich sind Änderungen an den gezeigten Ausführungsformen
möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So können anstelle der gezeigten
dreieckförmigen Steuerkerben auch andere Formen von Steuerkerben verwendet werden,
z.B. U-förmige oder trapezförmige Feinsteuerausnehmungen. Auch wird
sich
die Einstichtiefe der Entlastungs-Ringnut abhängig von verschiedenen Faktoren wie
Größe des Wegeventils, Viskosität des Druckmittels und anstehender Druck verändern;
so kann z.B. bei einem Wegeventil mit einem Durchmesser des Längsschiebers von 50
mm die Einstichtiefe auf 1 Zehntel Millimeter vergrößern, wenn nach der Stelle 25
in der Kennlinie 24 eine etwas vergrößerte Steigung in Kauf genommen wird. Insgesamt
verbleibt aber die Einstichtiefe unterhalb einem Wert von 0,2 bis 0,5 % des Außendurchmessers
am Längsschieber und liegt damit rund eine Zehnerpotenz niedriger als die Einstichtiefe
bei den bisher üblichen Entla3tungsrillen.
-
Leerseite