DE3309153C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Propor­ tionalventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Proportionalventile sind Bauelemente zur Druckmittelsteuerung in hydraulischen Anlagen. Sie ermöglichen die stufenlose Veränderung eines Steuerquerschnittes, dessen Größe durch ein veränderliches Eingangssignal, das häufig ein elektrisches Signal ist, vorgegeben wird. Der durch diesen Steuerquerschnitt fließende Druckmittelstrom ist abhängig von der Druckdifferenz am Steuerquerschnitt und von der Größe des Steuerquerschnittes.

Entsprechend der konstruktiven Gestaltung werde direktwirkende und vorgesteuerte Proportionalventile unterschieden. Direktwir­ kende Proportionalventile weisen einen druckausgeglichenen Steuer­ kolben auf, dessen Steuerquerschnitt beim Fehlen ein anderwei­ tigen Eingangssignales durch eine Feder geschlossen ist. Im Arbeitsbereich verschiebt ein Proportionalmagnet den Steuerkolben gegen die Feder und bewirkt hierdurch eine Einstellung des Steuer­ querschnittes. Da die Kraft des Proportionalmagneten proportional dem elektrischen Strom ist, wird - von Hysterese und Reibung abge­ sehen - jedem Stromwert ein bestimmter Hub des Steuerkolbens gegen die Feder zugeordnet.

Dem Vorteil eines einfachen, robusten Aufbaues derartiger Propor­ tionalventile steht als wichtigster Nachteil gegenüber, daß sie aufgrund der geringen Stellkräfte von Proportionalmagneten nur für kleine Druckmittelströme einsetzbar sind. Bei größeren und großen Druckmittelströmen dagegen übersteigen die Feder- und Strömungskräfte am Steuerkolben die Stellkraft des Proportional­ magneten. Deshalb werden für größere und große Druckmittelströme vorgesteuerte Proportionalventile mit einem elektrohydraulischen Regelkreis eingesetzt.

Ein in der Fachliteratur bekanntes vorgesteuertes Proportionalventil (DE 30 12 044 A1) sieht einen Vorsteuerschieber vor, dessen eine Stirnseite in Längsrichtung über eine Feder auf dem Steuerkolben in Sitzventilausführung abgestützt ist und dessen andere Stirnseite von einem Proportionalmagneten betätigt werden kann.

Das Steuerdruckmittel fließt hier aus dem Druckmittelzufluß durch eine Drosselbohrung im Steuerkolben zu und, durch den Vorsteuer­ schieber geregelt, in den Druckmittelabfluß und zum Verbraucher. Dort wird beim geregelten Steuervorgang ständig fließendes Steuer­ druckmittel benötigt, dessen Druckmittelstrom von der gewünschten Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Steuerkolbens in Sitz­ ventilausführung bestimmt wird und das durch Wiederzuführung in den Arbeitskreis keinen Leistungsverlust darstellt.

Ein elektrisches Signal im Proportionalmagneten wirkt mit einer zugeordneten Kraft über den Steuerschieber auf die Feder und sorgt durch geregelten Steuerdruckmittelabfluß für einen proportionalen Öffnungshub des Steuerkolbens.

Der Vorteil dieses 2-Wege-Proportionalventiles liegt in der kompakten Ausführung.

Dort ist jedoch für jede Nenngröße eine eigene Vorsteuerung erforderlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektro­ hydraulisch geregeltes und vorgesteuertes Proportionalventil zu schaffen, das neben einem feinfühligen proportionalen Verhalten die Verwendung einer Vorsteuerventilgröße für mehrere Proportional­ ventilgrößen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Ein solches aus von einander trennbaren Bauteilen bestehendes Ventil für die stufenlose Steuerung eines Drosselquerschnittes zeichnet sich durch feinfühliges proportionales Verhalten aus und wird in seiner proportionalen Steuerhub- oder Steuerquerschnitt-Positio­ nierung von Strömungskräften nicht beeinflußt, da diese Positio­ nierung maßgeblich von einer mechanischen Steuerfeder im hydrau­ lischen Steuerkreis bestimmt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Schnitt durch ein Proportional-Vorsteuerventil,

Fig. 2 den Teilschnitt von Fig. 1 für eine Magnetstößel-Drehmitnahme,

Fig. 3 den Teilschnitt von Fig. 1 für ein drehendes Federwiderlager,

Fig. 4 den Schnitt durch ein komplettes Proportionalventil.

In der Beschreibung und in den Zeichnungen werden in der Literatur übliche Buchstaben für die Bezeichnung der Druckmittelanschlüsse verwendet.

Es bedeuten:
P = Druckmittelzufluß von einer Druckmittelquelle.
A, B = Druckmittelabfluß zum Verbraucher.

Das erfindungsgemäße elektrohydraulische Proportionalventil besitzt ein Vorsteuerventil mit dem Ventilgehäuse 16 nach Fig. 1 und ein Hauptsteuerventil mit dem Ventilgehäuse 41, das mit dem Vorsteuerventil als komplettes Proportionalventil in Fig. 4 dargestellt ist und im einzelnen folgende Funktionen aufweist.

In Ruhestellung wirkt kein elektrisches Signal in der elektromagne­ tischen Ansteuervorrichtung 1, und der Magnetstößel 2 übt keine Hub­ kraft auf den Mehrwege-Regelschieber 3 aus, so daß dieser von der Feder 12 gegen den Anschlag in der Stirnkammer 4 geschoben und in dieser Stellung gehalten wird.

Dabei wirkt der Druckmitteldruck aus dem Druckmittelzufluß P durch die Kanäle und Federkammer 26, 15, 13, 17, 22 und 25 auf das Ventil­ element 28 und abgezweigt vom Kanal 13 durch die Kanäle und Ring­ kammern 8, 7, 9, 4, 19, 36, 37 und die Bohrungen 38 in der Betäti­ gungskammer 39 auf den Sitzventilkolben 33 im Sinne des Schließens. In dieser Ruhestellung wird damit jeder Druckmittelfluß vom Druck­ mittelzufluß P zum Druckmittelabfluß A, B unterbunden.

In Steuerstellung wirkt ein elektrisches Signal in der elektromag­ netischen Ansteuervorrichtung 1; der Magnetstößel 2 stößt mit einer zugeordneten Hubkraft gegen den Mehrwege-Regelschieber 3 und schiebt diesen gegen die Feder 12 in der Federkammer 17 mit dem Erfolg, daß der Mehrwege-Regelschieber 3 einen gesteuerten Druckmittelfluß vom Druckmittelzufluß P über das Vorsteuerventil zum Druckmittelabfluß A, B zuläßt.

Dieser gesteuerte Druckmittelfluß wird dabei von der Drossel 18 druckabhängig im Strom begrenzt und beim Weiterfluß zum Ventil­ element 28 durch eine aus der Drossel 14 und dem Differenzdruck­ ventil 10 bestehenden Stromregeleinrichtung druckunabhängig im Strom begrenzt, so daß durch das Ventilelement 28 einer Druckregel­ einrichtung nur druckunabhängig stromgeregeltes Druckmittel fließt.

Dieser Vorgang ist im einzelnen folgender:

Aus dem Druckmittelzufluß P fließt Druckmittel durch den Kanal 26, von der Drossel 18 druckabhängig im Strom begrenzt in den Kanal 15, einerseits von der Drossel 14 in Verbindung mit dem Differenzdruck­ ventil 10 druckunabhängig im Strom begrenzt durch die Kanäle 13, 22 und 25 durch das Ventilelement 28 der Druckregeleinrichtung, deren Differenzdruck von der vom Öffnungshub des Sitzventilkolbens 33 bestimmten Kraft der Steuerfeder 30 bestimmt wird, und anderer­ seits vom Mehrwege-Regelschieber 3 gesteuert durch die Ringkammern und Kanäle 8, 7, 9, 4, 19, 36, 37 und die Bohrungen 38 in der Betä­ tigungskammer 39 wirkt, um hier mit seinem Druck den Öffnungshub des Sitz­ ventilkolbens 33 zu bestimmen.

Gleichzeitig fließt aus dem Kanal 15 Druckmittel durch das Diffe­ renzdruckventil 10 und den Kanal 9, zwischen den Ringkammern 5 und 6 vom Mehrwege-Regelschieber 3 gesteuert, in den Kanal 21, von der Drossel 20 druckabhängig im Strom begrenzt, durch den Kanal 35 in den Druckmittelabfluß A, B.

Dabei bildet sich insgesamt zwischen dem Kanal 25 und der Betätigungs­ kammer 39 eine vom Öffnungshub des Sitzventilkolbens 33 über die Steuerfeder 30 und das Ventilelement 28 bestimmte Druckmittel-Druck­ differenz, die auf die Stirnseiten des Mehrwege-Regelschiebers 3 wirkend eine Kraft gegen den Magnetstößel 2 ausübt und so dem elek­ trischen Eingangssignal in der elektromagnetischen Ansteuervorrichtung 1 mit dem Erfolg entgegenwirkt, daß sich eine Proportionalität zwischen dem wirkenden elektrischen Signal in der elektromagnetischen Ansteuer­ vorrichtung 1 und dem Öffnungshub des Sitzventilkolbens 33 einstellt.

Das erfindungsgemäße elektrohydraulische Proportionalventil kann bei Verwendung von dünnflüssigen Druckmitteln oder von Wasser als Druckmittel eine Magnetstößel-Drehmitnahme nach Fig. 2 und ein drehendes Federstützlager nach Fig. 3 besitzen, die beim Steuervorgang im einzelnen folgende Funktionen aufweisen:
Elektrisch veranlaßte Drehbewegungen des Magnetankers in der elektromagnetischen Ansteuervorrichtung 1 werden auf den Mehrwege- Regelschieber 3 übertragen, die den Aufbau eines hydrodynamischen Schmier­ filmes in der Magnetankerlagerung und im dichtenden Teil des Mehrwege-Regelschiebers 3 verursachen, um Regelhübe möglichst reibungsarm zu gestalten.

Entsprechend der Aufgabe werden mit Beginn des Steuervorganges Drehbewegungen des Magnetankers über den biegeelastischen Magnet­ stößel 2 a und den Drehmitnahme-Kupplungskopf 2 b auf den dafür an seiner Stirnseite angebohrten Mehrwege-Regelschieber 3 übertragen und weiterhin werden diese Drehbewegungen über die andere kugel­ förmig ausgebildete Stirnseite des Mehrwege-Regelschiebers 3, das Drehmitnahme-Federwiderlager 11 a, die Feder 12, auf das Axiallager- Federwiderlager 11 b übertragen, das sich im hydrostatischen Axial­ lager 24 dreht, welches mit Druckmittel aus dem Kanal 15 , das durch die Drossel 23 im Strom begrenzt wird, gespeist wird.

Claims (4)

1. Elektrohydraulisches Proportionalventil, bestehend aus einem über eine Feder am Ventilgehäuse abgestützten Sitzventilkolben eines Hauptsteuerventils zur Einstellung des Steuerquerschnittes zwischen einem mit einer Druckmittelquelle verbundenen Druckmittel­ zufluß und einem mit einem Verbraucher verbundenen Druckmittel­ abfluß, einem Vorsteuerventil mit einem Mehrwege-Regelschieber, auf dessen eine Stirnfläche gegen die Kraft einer weiteren Feder eine von einem Eingangssignal gesteuerte proportionale Kraft einer elektromagnetischen Ansteuervorrichtung wirkt, einer mit einer Drossel versehenen Verbindung vom Druckmittelzufluß zum Vorsteuer­ ventil, einer mit dieser Drossel versehenen ständigen Verbindung zwischen dem Druckmittelzufluß und einer über dem Sitzventilkolben befindlichen Betätigungskamer sowie der der Federabstützung abgewandten Stirnseite des Mehrwege-Regelschiebers und einer Verbindung vom Vorsteuerventil zum Druckmittelabfluß, die über eine Steuerkante des Mehrwege-Regelschiebers in Schließstellung des Hauptsteuerven­ tiles gegenüber dem Druckmittelzufluß und der Betätigungskammer abgesperrt und durch die Steuerkante des Mehrwege-Regelschiebers in Regelstellung des Hauptsteuerventils zum Druckmittelzufluß und zur Betätigungskammer in Öffnungsstellung steuerbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Vorsteuerventil mit elektromagnetischer Ansteuervorrichtung (1) als eine auf das Hauptsteuerventil aufsetz­ bare Baueinheit ausgebildet ist und die auf den Mehrwege-Regel­ schieber (3) wirkende Feder (12) sich am Gehäuse (16) des Vorsteuer­ ventils abstützt, daß in Druckmittelströmungsrichtung nach der Drossel (18) in der durch das Ventilgehäuse (16, 41) geführten Verbindung zwischen dem Druckmittelzufluß (P) und dem Vorsteuer­ ventil ein Kanal (25) abgezweigt ist, der in Schließstellung des Hauptsteuerventils über eine weitere Steuerkante des Mehrwege-Regelschiebers (3) gesteuert mit der der Federabstützung abgewandten Stirnseite des Mehrwege-Regelschiebers (3) Druckmittelverbindung hat und dessen Druckmittel sowohl das federseitige Ende des Mehrwege-Regelschiebers (3) als auch das Ventilelement (28) eines im Ventilgehäuse (41) des Hauptsteuerven­ tiles axial zum Sitzventilkolben (33) angeordneten und als Sitz­ ventil ausgebildeten Druckregelventils in Öffnungsrichtung mit Druck beaufschlagt, daß entgegengesetzt dazu auf das Ventilelement (28) die Kraft einer in der Betätigungskammer (39) angeordneten Steuerfeder (30) wirkt, die sich an einem am Sitzventilkolben (33) angebrachten Federwiderlager (32) in Schließrichtung des Sitzventilkolbens (33) abstützt, daß durch das Ventilelement (28) der Druckmittelstrom vom abgezweigten Kanal (25) zur Verbindung zwischen der Betätigungskammer (39) und dem Druckmittelabfluß (A, B) in Abhängigkeit vom Öffnungshub des Sitzventilkolbens (33) einerseits von der vom Öffnungshub abhängigen Federkraft der Steuerfeder (30) und andererseits durch den auf die Enden des Mehrwege-Regelschiebers (3) wirkenden Differenzdruck regelbar ist, wobei in der Verbindung zwischen dem Druckmittelzufluß (P) und dem Vorsteuerventil zwischen der Drossel (18) und dem abgezweigten Kanal (25) stromaufwärts vom Mehrwege-Regelschieber (3) eine weitere Drossel (14) vorgesehen ist und wobei zwischen beiden Drosseln (18, 14) ein weiterer Kanal (15) abgezweigt ist, der über ein Differenzdruck­ ventil (10) mit der der Federabstützung abgewandten Stirnseite des Mehrwege-Regelschiebers (3) in Verbindung steht.

2. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Ansteuervorrichtung (1) zusätzlich einen elektrischen Drehantrieb für den Mehrwege-Regel­ schieber (3) besitzt.

3. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach Anspruch 1 und 2, mit einem zwischen der elektromagnetischen Ansteuervorrichtung und dem Mehrwege-Regelschieber vorgesehenen Magnetstößel, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Drehantrieb drehbare Magnet­ stößel (2 a) als biegeelastischer Magnetstößel mit Drehmitnahmekopf (2 b) ausgebildet ist, der in eine stirnseitige Ausdrehung des Mehrwege-Regelschiebers (3) hineinreichend eine Drehmitnahmekupplung bildet.

4. Elektrohydraulisches Proportionalventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Feder (12) des Mehrwege- Regelschiebers (3) auf der einen Seite an einem am Mehrwege-Regel­ schieber (3) beweglich gehaltenen Federwiderlager (11 a) und auf der anderen Seite an einem am Vorsteuerventilgehäuse (16) drehbeweglich gehaltenen und als Axiallagerelement (24) ausgebildeten Federwider­ lager (11 b) abstützt und daß zwischen den beiden Drosseln (18, 14) ein eine Drossel (23) aufweisender Kanal abgezweigt ist, der zur Schmierung des Axiallagerelementes (24) dient.