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Elektrohydraulisches Wegeventil
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem elektrohydraulischen
Wegeventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solches Wegeventil
aus der DE-PS 11 95 116 bekannt, bei dem ein Hauptsteuerschieber aus zwei gleichen
Schieberteilen besteht. Bei normalem Regelbetrieb werden die beiden Schieberteile
von Steuerdrükken einer Vorsteuerstufe aneinander anliegend gehalten, während bei
Ausfall des Zulaufdrucks eine Feder beide Schieberteile auseinanderdrückt und beide
Motorkammern zu einem Rücklauf entlastet. Das Wegeventil weist somit eine Sperrmittelstellung
auf, wobei aus regelungstechnischen Gründen die Steuerkanten am Steuerschieber so
ausgebildet sind, daß hierbei eine Nullüberdeckung erreicht wird, d.h. also, es
wird die Grenzsituation zwischen einer Unter- und einer Überdeckung angestrebt,
um somit die Tot zone klein zu halten. Bei diesem Wegeventil sind somit ein gutes
Regelverhalten und ein zweckmäßiges Auswahlverhalten bereits in vorteilhafter Weise
kombiniert. Von Nachteil bei diesem Wegeventil
ist jedoch, daß sein
Ausfallverhalten vor allem dann nicht befriedigt, wenn z.B. die Vorsteuerstufe oder
deren elektrische Ansteuerung ausfällt und weiterhin Druck im Zulaufanschluß ansteht.
Der Hauptsteuerschieber kann zwar dann seine Sperrmittelstellung einnehmen, wobei
jedoch durch die Nullüberdeckung die Gefahr besteht, daß infolge von Ungenauigkeiten
an den Steuerkanten Leckölströme zum angeschlossenen Hydromotor auftreten und diesen
unbeabsichtigt betätigen. Hinzu kommt daß das Wegeventil für seine zwei Schieberteile
auch zwei Zulaufkammern benötigt, von denen jede über zwei Kolbenabschnitte abgesichert
werden muß. Dies erhöht die Gefahr einer Leckölströmung. Weiterhin ist die Vorsteuerstufe
als Düsen-Prallplatten-Ventil ausgebildet, das ständig mit den Steuerkammern am
Hauptsteuerschieber und mit dem Zulaufanschluß in Verbindung steht und daher bei
Ausfall der elektrischen Ansteuerung einen ständigen Steuerölstrom zum Tank und
damit entsprechende Energieverluste verursacht.
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Ferner ist aus der DE-OS 28 40 831 ein elektrohydraulisches Wegeventil
in vorgesteuerter Bauweise bekannt, bei dem das von einem Proportionalmagnet entgegen
der Kraft einer Feder betätigte Steuerglied der Vorsteuerstufe eine Sicherheitsstellung
einnimmt, in der beide Steuerkammern am Hauptsteuerschieber miteinander verbunden
und der Zulaufanschluß abgesperrt wird. Bei Ausfall von Bauelementen kann der Hauptsteuerschieber
zwar seine Sperrmittelstellung einnehmen und das Vorsteuerglied den Zulaufanschluß
blockieren, so daß kein unerwünschter Verlust strom über die Vorsteuerstufe zum
Tank auftreten kann. Nachteilig bei diesem Wegeventil ist jedoch, daß zum sicheren
Absperren der Zulaufkammer
in dieser Sperrmittelstellung die zugeordneten
Kolbenabschnitte am Hauptsteuerschieber mit positiver Überdeckung ausgerüstet sind,
wodurch das Regelverhalten des Ventils ungünstig beeinflußt und dessen Totzone in
unerwünschter Weise erhöht wird. Andererseits kann durch diese positive Überdeckung
des Hauptsteuerschiebers in Sperrmittelstellung ein zusätzliches Ventil eingespart
werden, welches bei Ausfall des Wegeventils den Druckmittelzulauf absperren und
bei Nullüber deckung einen störenden Leckölstrom zum Hydromotor verhindern würde.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Wegeventil mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sein Ausfallverhalten
noch weiter verbessert wird. So kann der Hauptsteuerschieber mit veränderlicher
Überdeckung den Bedingungen sowohl im normalen Regelbetrieb als auch der Sicherheitsfunktion
im Notfall gerecht werden. Während im normalen Regelbetrieb der Steuerschieber mit
Nullüberdeckung arbeitet und daher das Wegeventil eine möglichst kleine Totzone
aufweist, kann der Steuerschieber im Notfall eine beträchtliche positive Überdeckung
aufweisen und damit die Zulaufkammer so sicher abdichten, daß kein zusätzliches
Ventil zum Absperren des Zulaufanschlusses erforderlich wird und daß zugleich die
Motorkammern zum Rücklauf entlastet werden. Zudem benötigt das Wegeventil lediglich
eine einzige Zulaufkammer, welche durch zwei Steuerkanten beherrschbar ist, was
die Leckölverluste ebenfalls niedrig hält. Die einzige Zulaufkammer führt ferner
zu einer kompakteren und damit kostengünstigeren Bauweise.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maß.nahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Wegeventils
möglich. Eine Ausbildung des Wegeventils mit dem speziell ausgebildeten Vorsteuerventil
nach Anspruch 8 und dem in einem Lageregelkreis geschalteten Hauptsteuerschieber
nach Anspruch 9 stellt eine besonders vorteilhafte Kombination dar. Weitere besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung
sowie der Zeichnung.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des Wegeventils in vereinfachter
Darstellung und Figur 2 als Einzelheit die in der Zulaufkammer aneinander gekoppelten
Schieberteile nach Figur 1 in vergrößertem Maßstab.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Figur 1 zeigt ein elektrohydraulisches
Wegeventil 10, das im wesentlichen aus einer Hauptsteuerstufe 11 und einer Vorsteuerstufe
12 besteht, die gemeinsam in einen Lageregelkreis 13 geschaltet sind.
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Die Hauptsteuerstufe 11 weist in einem Gehäuse 14 eine Schieberbohrung
15 auf. In der Schieberbohrung 15 sind durch ringförmige Erweiterungen eine mittig
liegende Zulaufkammer 16, zu beiden Seiten von letzterer eine erste (17) bzw. zweite
Motorkammer 18, daneben eine erste (19) sowie eine zweite Rücklaufkammer 21 sowie
zwei
außenliegende Steuerkammern 22, 23 ausgebildet.
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Während die Zulaufkammer 16 von einer Pumpe 24 mit Druckmittel versorgt
wird, stehen die beiden Motorkammern 17, 18 mit den beiden Seiten eines doppeltwirkenden
Hydromotors 25 in Verbindung. Die beiden Rücklaufkammern 19 und 21 sind zu einem
Tank 26 entlastet. In der Schieberbohrung 15 ist ein längsbeweglicher Kolbenschieber
27 dicht und gleitend geführt, der aus einem ersten (28) sowie einem zweiten Schieberteil
(29) besteht. Die beiden Schieberteile 28, 29 sind in bezug auf die von ihnen zu
steuernden Verbindungen gleich ausgebildet und weisen jeweils zwei Kolbenabschnitte
31, 32 bzw. 33, 34 auf. An jedem Kolbenabschnitt 31 bis 34 ist durch eine Steuerkerbe
eine Steuerkante 35 bis 38 ausgebildet, die mit der jeweils zugeordneten Steuerkante
im Gehäuse 14 in der gezeichneten Stellung des Kolbenschiebers 27 eine sogenannte
Nullüberdeckung ergibt. Mit Nullüberdeckung wird dabei jene Grenzsituation beschrieben,
bei der die einander zugeordneten Steuerkanten von Kolbenschieber und Gehäuse in
Mittelstellung genau übereinander liegen und weder eine positive noch eine negative
Überdeckung aufweisen. Von den beiden Schieberteilen 28, 29 grenzen die beiden innenliegenden
Kolbenabschnitte 32, 33 im Bereich der Zulaufkammer 16 aneinander und bilden so
einen Kolben 39 des Kolbenschiebers 27, der die Zulaufkammer 16 durchdringt und
sie mit seinen beiden Steuerkanten 36 und 37 von den benachbarten Motorkammern 17
bzw. 18 in der gezeichneten Stellung trennt.
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Zwischen den beiden Schieberteilen 28, 29 besteht somit innerhalb
der Zulaufkammer 16 eine Trennfuge 41, in der die beiden stirnseitigen Enden der
Schieberteile 28, 29 einen ersten Anschlag 42 bilden. Bei einem wirksamen, ersten
Anschlag 42, also bei aneinander stoßenden
Kolbenabschnitten 32,
33, ergeben die Steuerkanten 35 bis 38 mit ihren zugeordneten Steuerkanten im Gehäuse
14 die sogenannte Nullüberdeckung.
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Wie Figur 2 näher zeigt, bilden die beiden Kolbenabschnitte 32 und
33 einen zur Trennfuge 41 hin offenen Hohlraum 43. Zu diesem Zweck ist im Kolbenabschnitt
33 des zweiten Schieberteils 29 eine sacklochartige Ausnehmung 44 vorgesehen, in
die ein zapfenartiger Fortsatz 45, der am Kolbenabschnitt 32 befestigt ist, ragt.
Am Ende des zapfenartigen Fortsatzes 45 ist ein Bund 46 ausgebildet, der zusammen
mit einem in der Ausnehmung 44 sitzenden Sicherungsring 47 einen zweiten Anschlag
48 bildet. Beide Schieberteile 28, 29 können aus der in Figur 2 gezeigten Lage nun
soweit auseinandergezogen werden, daß der zweite Anschlag 48 zur Wirkung kommt.
Die vom zweiten Schieberteil 29 relativ zum ersten Schieberteil 28 dabei zurücklegbare
Hubdistanz wird von den beiden Anschlägen 42, 48 bestimmt und ist so groß ausgelegt,
daß bei ausgezogenem Kolbenschieber die die Zulaufkammer 16 steuernden Steuerkanten
36, 37 eine ausreichende positive berdeckung aufweisen, während gleichzeitig die
Steuerkanten 35 und 38 ihre jeweils zugeordnete Motorkammer 17 bzw. 18 zur angrenzenden
Rücklaufkammer 19 bzw. 21 entlasten. Beide Kolbenabschnitte 32 und 33 weisen im
Bereich der Trennfuge 41 jeweils eine Eindrehung 49, 51 auf, so daß sie zusammen
eine Ringnut bilden, in der eine Hülse 52 dicht und gleitend geführt ist. Um die
Trennfuge 41 gegenüber der Zulaufkammer 16 abzudichten ist in jeder Eindrehung 49,
51 ein Dichtring 53, 54 angeordnet, die beide von der Hülse 52 übergriffen werden.
Durch die Eindrehungen 49, 51 sind an beiden Kolbenabschnitten 32, 35 jeweils gleich
große,
kreisringförmige Druckflächen 55, 56 ausgebildet, die vom
Druck in der Zulaufkammer 16 beaufschlagt werden.
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Der Außendurchmesser der Hülse 52 ist stets gleich oder kleiner als
der Außendurchmesser des Kolbenabschnitts 32 bzw. 33, so daß der Kolbenschieber
27 ohne weiteres in die Schieberbohrung 15 eingesetzt werden kann. Wie Figur 2 in
Verbindung mit Figur 1 näher zeigt, ist der Hohlraum 43 über einen Entlastungskanal
57 stets mit der zweiten Rücklaufkammer 21 verbunden.
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Wie ferner Figur 1 näher zeigt, ist in der ersten Steuerkammer 22
eine Feder 58 sowie ein Federteller 59 angeordnet, die Teile einer doppeltwirkenden
Rückholeinrichtung für den Kolbenschieber 27 sind. In entsprechender Weise nimmt
die zweite Steuerkammer 23 eine Feder 61 sowie den Federteller 62 auf. Sind die
beiden Schieberteile 28, 29 wie gezeichnet am ersten Anschlag 42 zusammengedrückt,
so befinden sich die äußeren Kolbenabschnitte 31 bzw. 34 jeweils im Abstand von
ihren zugeordneten Federtellern 59 bzw. 62.
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Die Summe dieser Abstände ist gleich groß wie die erwähnte Hubdistanz
zwischen den beiden Anschlägen 42, 48, so daß bei auseinandergezogenem Kolbenschieber
27 die äußeren Kolbenabschnitte 31 und 34 gerade an den Federtellern 59 bzw. 62
anliegen, ohne daß letztere von ihren gehäusefesten Anschlägen abheben. Die beiden
Steuerkammern 22, 23 stehen in an sich bekannter Weise über Steuerleitungen mit
den Ausgängen der aZorsteuerstufe 12 in Verbindung, die als ein proportional arbeitendes
4-Wegeventil ausgebildet ist. Ein Steuerglied 63 der Vorsteuerstufe 12 wird von
einem einzigen Proportionalmagneten 64 entgegen der Kraft einer Feder 65 betätigt
und
kann außer seinen drei Schaltstellungen 66, 67, 68 eine sogenannte Sicherheitsstellung
69 einnehmen, in der es beide Steuerkammern 22, 23 miteinander und mit dem Tank
verbindet, während es seinen Druckanschluß 61 blockiert. Der Proportionalmagnet
64 wird von einem Differenzverstärker 72 angesteuert, dem über einen Eingang 73
ein Sollwert eingegeben wird. Ferner erhält der Differenzverstärker 72 als Istwert
für die Stellung des Kolbenschiebers 27 das Ausgangssignal eines elektromechanischen
Wegaufnehmers 74 dessen Eingangsglied mechanisch mit dem zweiten Schieberteil 29
gekoppelt ist.
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Die Wirkungsweise des elektrohydraulischen Wegeventils 10 wird wie
folgt erläutert, wobei auf Figur 1 und 2 Bezug genommen wird. Dabei wird nur soweit
auf die Funktion des Wegeventils eingegangen, als zum Verständnis der Erfindung
notwendig ist; insbesondere wird die Funktion des vorgesteuerten Regelventils nach
der erwähnten DE-OS 28 40 831 als bekannt vorausgesetzt.
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Im normalen Regelbetrieb befindet sich das Steuerglied 63 der Vorsteuerstufe
12 in den Schaltstellungen 66, 67 oder 68. Solange die äußeren Schaltkammern 22,
23 über die Vorsteuerstufe 12 in den erwähnten Schaltstellungen 66 bis 68 mit Druck
beaufschlagt werden, sind die beiden Schieberteile 28, 29 aneinander gedrückt, so
daß der erste Anschlag 42 wirksam ist. Unabhängig von dem jeweiligen Bewegungszustand
des Kolbenschiebers 27 herrscht dabei in den beiden Schaltkammern 22, 23 ein Steuerdruck,
der ungefähr die Hälfte des Drucks in der Zulaufkammer 16 beträgt. Der auf den vollen
Querschnitt des Kolbenschiebers 27 wirksame Steuerdruck ergibt stets eine größere
Kraft als diejenige
Gegenkraft, welche der Druck in der Zulaufkammer
16 auf die wesentlich kleineren, ringförmigen Druckflächen 55 bzw. 56 erzeugt. Die
Trennfuge 41 ist dabei durch die Hülse 52 in Verbindung mit den Dichtringen 53,
54 gegenüber der Zulaufkammer 16 abgedichtet und ferner ist der Hohlraum 43 über
den Entlastungskanal 57 stets zum Tank entlastet. Auf diese Weise wird eine zuverlässige
Anlage der beiden Schieberteile 28, 29 aneinander erreicht. In diesem Zustand bilden
die Steuerkanten 35 bis 38 an dem Kolbenschieber 27 mit ihren zugeordneten Steuerkanten
im Gehäuse 14 die sogenannte Nullüberdeckung. Somit kann das Wegeventil 10 als lagegeregeltes,
hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil mit Nullschnitt in einem Lage-, Geschwindigkeits-
oder Druckregelkreis betrieben werden.
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Fällt nun in einem Notfall z.B. die elektrische Ansteuerung des Vorsteuerventils
12 aus, so wird dessen Steuerglied 63 von der Feder 65 in die Sicherheitsstellung
69 geschoben. Beide Steuerkammern 22, 23 am Kolbenschieber 27 werden damit über
das Vorsteuerglied 63 zum Tank entlastet, während der Druck in der Zulaufkammer
16 weiterhin ansteht. Der auf die ringförmigen Druckflächen 55, 56 wirksame Druck
in der Zulaufkammer 16 drückt nun beide Schieberteile 28, 29 auseinander, bis der
zweite Anschlag 48 zur Wirkung kommt. Die von den beiden Schieberteilen 28, 29 ausgeführte
Hubdistanz ist dabei so groß, daß die Steuerkanten 36, 37 eine ausreichend große
positive Überdeckung ergeben und damit die Zulaufkammer 16 sicher absperren. Zugleich
wird durch den auseinander gezogenen Kolbenschieber 27 jde Motorkammer 17 bzw. 21
durch die ihr zugeordnete Steuerkante 35 bzw. 38 zum Tank 26 entlastet. Bei auseinandergezogenen
Schieberteilen 28, 29 liegen
die äußeren Kolbenabschnitte 31 bzw.
34 an den Federtellern 59 bzw. 62 an, so daß der auseinandergezogene Kolbenschieber
27 in seiner Mittelstellung von der doppeltwirkenden Rückholeinrichtung zentriert
ist. In der Vorsteuerstufe 12 sperrt zudem das Steuerglied 63 in der Sicherheitsstellung
69 den Druckanschluß 71 ab, so daß weder über die Vorsteuerstufe 12 noch über die
Hauptsteuerstufe 11 ein nennenswerter Leckölstrom auftreten kann.
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Mit dem Wegeventil 10 kann somit infolge der veränderlichen Überdeckung
seines Kolbenschiebers 27 nicht nur ein einwandfreies Regelverhalten erzielt werden,
sondern auch sein Sicherheitsverhalten bei Ausfall von Bauelementen erhöht werden.
Insbesondere erübrigen sich dabei zusätzliche Sperrventile zwischen Pumpe 24 und
Zulaufkammer 16, um eine bei Nullüberdeckung auftretende Leckölströmung zu unterbinden.
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Wesentlich ist ferner, daß der Kolbenschieber 27 in einem Lageregelkreis
betrieben wird, so daß er im zusammengedrückten Zustand schwimmend zwischen den
beiden Federtellern 59 und 62 in seiner Sperrstellung mit wirksamer Nullüberdeckung
geregelt werden kann.
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Selbstverständlich sind an der gezeigten Ausführungsform Änderungen
möglich ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So kann das Prinzip des Kolbenschiebers
mit veränderlicher Überdeckung auch bei einem direktbetätigten Wegeventil angewandt
werden. Auch die Ausbildung der Anschläge im Kolbenschieber 27 kann mit anderen
Mitteln erreicht werden.
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- L e e r s e i t e -