DE3535097A1 - Wegeventil - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Wegeventil, insbesondere Vorsteuerventil für ein die Beaufschlagung eines Zylinders mit einer Öl-in-Wasser-Emulsion regelndes Hauptsteuerventil, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE-OS 31 22 961 zählt ein elektrohydraulisches Wegeventil für Öl-in-Wasser-Emulsionen zum Stand der Technik, dessen Kolbenschieber zwei durch eine Einschnürung voneinander getrennte Kolbenabschnitte gleichen Durchmessers aufweist. Das eine Hauptsteuerfunktion wahrnehmende Wegeventil besitzt einen verbraucherseitigen Anschluß, dessen Mündung unabhängig von der Position des Kolbenschiebers ständig mit der zentralen Einschnürung verbunden ist. Taucht der magnetseitige Kolbenabschnitt in einen mittleren Längenabschnitt der Längsbohrung ein, der zwischen einem mit der Druckquelle verbundenen Ringraum und einem an den Rücklauf angeschlossenen Ringraum liegt, so trennt eine umfangsseitig dieses Kolbenabschnitts zur Anlage gelangende Ringdichtung den Verbraucher vom Rücklauf, während das Arbeitsfluid zum Verbraucher strömen kann. Wird der Magnet dagegen stromlos, so verlagert eine Rückstellfeder den Kolbenschieber in die Ausgangsstellung, wobei der Verbraucher dadurch vom weiteren Zustrom des Arbeitsfluids unterbrochen wird, daß eine Dichtung auf der Einschnürung des Kolbenschiebers in den mittleren Längenabschnitt der Längsbohrung eintaucht.

Bei einem solchen Hauptsteuerventil ist es durch eine spezielle Dichtungsanordnung gelungen, die zum Betätigen des Ventils erforderlichen Verstellkräfte um ein Vielfaches geringer zu halten, als bei einem Sitzventil vergleichbarer Größe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Wegeventil so weiterzubilden, daß es insbesondere als Vorsteuerventil eine Kennlinie besitzt, die der Magnetkennlinie weitgehend angenähert ist und bei welchem eine nur geringe Aufsteuerkraft erforderlich ist, die jedoch nicht zu Lasten einer geringen Rückstellkraft geht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Durch die Relativlage der Anschlüsse für das Arbeitsfluid, den Rücklauf und den Verbraucher zueinander und zu dem mit drei Kolbenabschnitten versehenen Kolbenschieber in Verbindung mit der gezielten unterschiedlichen Dickenbemessung der drei Kolbenabschnitte wird ein Wegeventil geschaffen, das bevorzugt als Vorsteuerventil eine der natürlichen Magnetkennlinie ähnliche Kennlinie aufweist. Hierbei macht sich die Erfindung den Sachverhalt zu Nutze, daß ein Betätigungsmagnet eine nur kleine Anfangskraft aufweist, die jedoch gegen Hubende immer stärker wird. Die Magnetkennlinie nimmt somit einen progressiven Verlauf. Folglich wirkt durch die Dickenbemessung des mittleren Kolbenabschnitts relativ zu dem magnetseitigen Kolbenabschnitt eine Kraft in Öffnungsrichtung, die sich aus der Magnetkraft zuzüglich der Kraft ergibt, welche sich aus dem mit der Differenzfläche zwischen dem mittleren Kolbenabschnitt und dem magnetseitigen Kolbenabschnitt multiplizierten Druck des Arbeitsfluids errechnet. Dieser Aufsteuerkraft wirken die Reibungswiderstände, insbesondere zwischen dem Kolbenschieber und den Dichtungen, sowie die elastische Rückstellkraft entgegen. Auf diese Weise ist es möglich, daß die elastische Rückstellkraft und ein Teil des Reibungswiderstands vom anstehenden Druck überwunden werden können, während der Steuermagnet nur noch einen geringen Teil der Gesamtwiderstände aufzubringen hat. Demzufolge kann ein besonders leistungsarmer Magnet verwendet werden.

Wird der Magnet aktiviert, erfolgt eine Verlagerung des Kolbenschiebers, wobei zunächst der Verbraucher vom Rücklauf getrennt wird. Nach einem kurzen weiteren Weg wird dann der Verbraucher mit der Druckquelle verbunden, wobei sich am mittleren Kolbenabschnitt jetzt Kräfte einander gegenüberstehen, die sich einmal aus der Differenz des Durchmessers des mittleren Kolbenabschnitts zu dem magnetseitigen Kolbenabschnitt und einmal aus der Differenz des Durchmessers des mittleren Kolbenabschnitts zu dem der Rückstellkraft benachbarten Kolbenabschnitt, jeweils multipliziert mit dem Druck des Arbeitsfluids zusammensetzen. In dieser Öffnungsposition, d. h. am Ende des Magnethubs ist in Schließrichtung also eine Kraft vorhanden, die größer ist als die Anfangskraft in Öffnungsrichtung. Da jedoch der Magnet in seiner Endlage eine weitaus höhere Kraft als am Anfang abgibt, kann der Rückstellkraft ohne weiteres vom Magneten begegnet werden.

Fällt der Magnet wieder ab, so bewegt sich der Kolbenschieber aufgrund der vorerwähnten Differenzkraft zuzüglich der elastischen Rückstellkraft in Schließrichtung, so daß der Kolbenschieber mit relativ großer Kraft in die Anfangsstellung zurückbewegt wird. Bei diesem Vorgang wird zunächst der Verbraucher von der Druckquelle getrennt, so daß die erhöhte Schließkraft durch die anschließende Verbindung des Verbrauchers mit dem Rücklauf aufgehoben ist.

Es ist erkennbar, daß die Rückstellkraft des Ventils größer als die Aufsteuerkraft ist. Durch eine Veränderung der Flächen sowie der Ausbildung der elastischen Rückstellkraft kann die Ventilkennlinie der Magnetkennlinie optimal angepaßt werden. Da, wie vorstehend bereits erwähnt, zum Betätigen des Ventils ein besonders leistungsarmer Magnet verwendet werden kann, sind die absoluten Steuerkräfte nunmehr sehr gering und es wird ein besonders großer Wirkungsgrad aufgund eines Magneten mit idealer Kennlinie erzielt. Die leichte Gängigkeit des Ventils wird im wesentlichen durch die Abstimmung der durch die Durchmesser der Kolbenabschnitte sich ergebenden Hilfssteuerflächen bestimmt, so daß ohne Berücksichtigung der stets notwendigen Sicherheitstoleranz das Ventil mit einem Kraftaufwand von nur wenigen Gramm betätigt werden könnte.

Eine weitere Verringerung der Reibungswiderstände wird durch die Merkmale des Anspruchs 2 erzielt. Im Kolbenschieber selbst sind mithin keine Dichtungen mehr vorgesehen. Diese kommen ausschließlich am Umfang des Kolbenschiebers zur Anlage. Sie können zweckmäßig in einzelne Einsatzstücke eingegliedert werden, die axial nacheinander in das Ventilgehäuse einsetzbar sind.

Aufgrund der Merkmale des Anspruchs 3 wird der Kolbenschieber verkantungsfrei geführt. Er liegt lediglich mit den beiden endseitigen Kolbenabschnitten sowie dem mittleren Kolbenabschnitt in jeweils einem Dichtring aus einem hartgestellten Kunststoff. Dadurch wird eine metallische Berührung des Kolbenschiebers mit dem Ventilgehäuse vermieden. Der gewählte Werkstoff hat den Vorteil, daß er reibungsarm ist. Folglich werden auch bei wachsendem Andruck an die Oberfläche des Kolbenschiebers nur unwesentlich höhere Reibungskräfte erzeugt.

Dadurch, daß neben den drei Dichtungen aus einem hartgestellten Kunststoff nur noch zwei weitere Dichtungen, insbesondere aus Polyurethan, vorhanden sind, welche jeweils beim Anschluß des Verbrauchers an die Druckquelle bzw. an den Rücklauf wirksam werden, können die Verstellkräfte noch weiter gesenkt werden. Auch sind die Losbrechkräfte, also die zur Verlagerung des Kolbenschiebers aus dem Stillstand erforderlichen Kräfte, extrem gering.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Mit 1 ist ein Vorsteuerventil für ein Hauptsteuerventil 2 bezeichnet, welches die Beaufschlagung eines nicht näher veranschaulichten Zylinders mit einer Öl-in-Wasser- Emulsion regelt.

Das Vorsteuerventil 1 weist einen in einer Längsbohrung 3 des Ventilgehäuses 4 durch eine Magnetkraft MK gegen eine Rückstellfeder 5 verlagerbaren Kolbenschieber 6 auf. Der Kolbenschieber 6 ist in drei Kolbenabschnitte 7, 8, 9 unterteilt, die jeweils durch eine Einschnürung 10, 11 voneinander distanziert sind. Dabei ist der Durchmesser des mittleren Kolbenabschnitts 8 größer als der Durchmesser des magnetseitigen Kolbenabschnitts 7 und der Durchmesser des magnetseitigen Kolbenabschnitts 7 größer als der Durchmesser des federseitigen Kolbenabschnitts 9 bemessen.

Die Rückstellfeder 5 befindet sich in einer Erweiterung 12 eines Einsatzstücks 13 des Ventilgehäuses 4 und stützt sich einerseits am Boden 14 des Einsatzstücks 13 und andererseits an einem Ringkragen 15 des Kolbenschiebers 6 ab. Der Durchmesser des Ringkragens 15 ist größer als der Durchmesser der Längsbohrung 3 im Bereich des mittleren Kolbenabschnitts 8.

Die Kolbenabschnitte 7-9 sind jeweils über eine Dichtung 16 aus Polytetrafluorethylen in Einsatzstücken 17, 18, 19 des Ventilgehäuses 4 gelagert, wobei die Dichtungen 16 durch Weichdichtungen 20 aus Kunstkautschuk an den Umfang der Kolbenabschnitte 7-9 gedrückt werden. Ferner ist erkennbar, daß endseitig des mittleren Kolbenabschnitts 8 Dichtungen 21, 22 aus insbesondere Polyurethan in entsprechenden Einsatzstücken 23, 24 gelagert sind und bei Verlagerung des Kolbenschiebers 6 in die beiden Endstellungen ebenfalls am Umfang des mittleren Kolbenabschnitts 8 zur Anlage gelangen.

Die mit P bezeichnete Druckquelle ist über einen Anschluß 25 im Ventilgehäuse 4 und Kanäle 26 in dem Einsatzstück 23 mit der Längsbohrung 3 verbunden. Die Mündung 26 des Anschlusses 25 befindet sich im Einflußbereich des magnetseitigen Kolbenabschnitts 7 sowie der diesen Kolbenabschnitt 7 vom mittleren Kolbenabschnitt 8 trennenden Einschnürung 10.

Der durch den Steueranschluß des Hauptsteuerventils 2 gebildete Verbraucher V ist über einen Anschluß 28 im Ventilgehäuse 4 und Querkanäle 29 in dem Einsatzstück 24 ständig mit der Einschnürung 11 verbunden, welche den mittleren Kolbenabschnitt 8 von dem federseitigen Kolbenabschnitt 9 trennt. Ferner ist der Verbraucher V über einen Bypass 30 und Querkanäle 31 in einem weiteren Einsatzstück 32 mit der Längsbohrung 3 im Bereich des mittleren Kolbenabschnitts 8 sowie der diesen von dem magnetseitigen Kolbenabschnitt 7 trennenden Einschnürung 10 verbunden. Die Mündungen der Querkanäle 29 und 31 in die Längsbohrung 3 sind mit 33 und 34 bezeichnet.

Der beispielsweise zu einem Vorratsbehälter T führende Rücklauf des Ventils 1 ist über einen Anschluß 35 im Ventilgehäuse 4 und Querkanäle 36 in dem Einsatzstück 18 mit dem Bereich der Längsbohrung 3 verbunden, in welchem sich einerseits der mittlere Kolbenabschnitt 8 und andererseits die diesen vom dem federseitigen Kolbenabschnitt 9 trennende Einschnürung 11 erstrecken. Die Mündungen der Querkanäle 36 tragen die Bezugsziffer 37.

Mit Ausnahme des Einsatzstücks 32 sowie des Einsatzstücks 13 sind alle anderen Einsatzstücke 17, 24, 18, 23, 19 über Dichtringe 38 aus einem Weichkautschuk gegenüber dem Ventilgehäuse 4 abgedichtet.

Die Funktion des vorstehend beschriebenen Vorsteuerventils 1 ist wie folgt:

Soll der Verbraucher V von der Druckwelle P getrennt werden, darf keine Magnetkraft MK am Kolbenschieber 6 anliegen. Dadurch befindet sich dieser in der oberhalb der Mittellinie M befindlichen Position. In dieser Stellung wird der mit dem Arbeitsfluid baufschlagte Anschluß 25, der in die Einschnürung 10 mündet, hinsichtlich seiner Mündung 27 beidseitig von den Dichtungen 16, 21 einerseits von der Umgebung und andererseits von dem Verbraucher V getrennt.

Der Verbraucher V ist in dieser Position über den Anschluß 28 und die Querkanäle 29 sowie die zwischen dem mittleren Kolbenabschnitt 8 und dem federseitigen Kolbenabschnitt 9 liegende Einschnürung 11 mit den Querkanälen 36 verbunden, die über den Anschluß 35 zum Rücklauf T führen.

Der mit dem verbraucherseitigen Anschluß 28 verbundene Bypass 30 ist in dieser Position von der Druckwelle P getrennt. Dies gewährleistet die am Umfang des Kolbenabschnitts 8 anliegende Dichtung 21 neben den Mündungen 34.

Wird die Magnetkraft MK errichtet, so wird der Kolbenschieber 6 zunächst mit einer geringen Anfangskraft verschoben. Dabei wirkt in Öffnungsrichtung die Magnetkraft MK zuzüglich einer Kraft, die sich aus der Differenz des Durchmessers des mittleren Kolbenabschnitts 8 zu dem Durchmesser des magnetseitigen Kolbenabschnitts 7 multipliziert mit dem Druck des Arbeitsfluids errechnet. In Schließrichtung wirkt in diesem Moment die Kraft einer Rückstellfeder 5 sowie der Reibungswiderstand des Kolbenschiebers 6 an den Dichtungen 16 und 21. Hieraus folgt, daß die Federkraft und ein Teil des Reibungswiderstands ohne weiteres vom anstehenden Druck überwunden werden können, während der Steuermagnet nur noch einen geringen Teil der Gesamtwiderstände aufzubringen hat.

Bei der Bewegung des Kolbenschiebers 6 in die rechte Endstellung wird zunächst der Verbraucher V vom Rücklauf T getrennt, wenn der mittlere Kolbenabschnitt 8 die Dichtung 22 überfährt. Nach einem kurzen weiteren Weg wird der Verbraucher V über den Bypass 30 und die Querkanäle 31 in dem Einsatzstück 32 mit der Druckquelle P verbunden, wenn der mittlere Kolbenabschnitt 8 den Bereich der Dichtung 21 nach rechts verläßt. Der Kolbenschieber 6 befindet sich nun in der unterhalb der Mittellinie M veranschaulichten Position.

Ist der Verbraucher V mit dem Arbeitsfluid beaufschlagt, so wird durch die Differenz des Durchmessers des mittleren Kolbenabschnitts 8 zu dem federseitigen Kolbenabschnitt 9 multipliziert mit dem Druck des Arbeitsfluids eine Kraft in Schließrichtung aktiviert, die größer ist, als die Anfangskraft des Magneten in Öffnungsrichtung. Da jedoch der Magnet in seiner Endlage eine weitaus größere Kraft abgibt, kann diese erhöhte Rückstellkraft von dem Magneten aufgebracht werden.

Wird der Magnet stromlos, d. h. die Magnetkraft MK entfällt, so bewegt sich der Kolbenschieber 6 mit relativ großer Kraft in Schließrichtung. Auf diesem Weg wird zunächst der Verbraucher V wieder von der Druckquelle P getrennt, wenn der mittlere Kolbenabschnitt 8 die Dichtung 21 überfährt. Nach einem kurzen weiteren Weg verläßt der mittlere Kolbenabschnitt 8 den Bereich der Dichtung 22, so daß nunmehr der Verbraucher V mit dem Rücklauf T verbunden ist. Damit befindet sich der Kolbenschieber 6 wieder in seiner Ausgangslage. Der Anschluß 28 zum Verbraucher V ist drucklos, so daß die erhöhte Schließkraft aus der Differenz zwischen dem Durchmesser des mittleren Kolbenabschnitts 8 und des federseitigen Kolbenabschnitts 9 multipliziert mit dem Druck des Arbeitsfluids aufgehoben ist.

• Bezugszeichenaufstellung  1  Vorsteuerventil
   2  Hauptsteuerventil
   3  Längsbohrung in 4
   4  Ventilgehäuse
   5  Rückstellfeder
   6  Kolbenschieber
   7  Kolbenabschnitt
   8  Kolbenabschnitt
   9  Kolbenabschnitt
  10  Einschnürung
  11  Einschnürung
  12  Erweiterung v. 13
  13  Einsatzstück
  14  Boden v. 13
  15  Ringkragen v. 6
  16  Dichtung
  17  Einsatzstück
  18  Einsatzstück
  19  Einsatzstück
  20  Weichdichtungen
  21  Dichtung
  22  Dichtung
  23  Einsatzstück
  24  Einsatzstück
  25  Anschluß f. P
  26  Kanäle in 23
  27  Mündung v. 25 in 3
  28  Anschluß f. V
  29  Querkanäle in 24
  30  Bypass
  31  Querkanäle in 32
  32  Einsatzstück
  33  Mündung v. 29
  34  Mündung v. 31
  35  Anschluß f. T
  36  Querkanäle in 18
  37  Mündungen v. 36
  38  Dichtringe
  MK Magnetkraft
  P   Druckquelle
  V   Verbraucher
  T   Vorratsbehälter
  M   Mittellinie

Claims (3)

1. Wegeventil, insbesondere Vorsteuerventil für ein die Beaufschlagung eines Zylinders mit einer Öl-in-Wasser- Emulsion regelndes Hauptsteuerventil, das einen in einer Längsbohrung des Ventilgehäuses durch Magnetkraft gegen eine elastische Rückstellkraft verlagerbaren Kolbenschieber mit zwei durch einen eingeschnürten Längenabschnitt voneinander distanzierten, im Ventilgehäuse dichtend geführten Kolbenabschnitten und drei axial zueinander versetzte Anschlüsse für das Arbeitsfluid, den Verbraucher und den Rücklauf aufweist, wobei in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbenschiebers die Mündungen der Anschlüsse in die Längsbohrung voneinander flüssigkeitsdicht trennbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschieber (6) drei durch zwei eingeschnürte Längenabschnitte (10, 11) voneinander distanzierte Kolbenabschnitte (7, 8, 9) aufweist, wobei der Durchmesser des mittleren Kolbenabschnitts (8) größer als der Durchmesser des magnetseitigen Kolbenabschnitts (7) und der Durchmesser des magnetseitigen Kolbenabschnitts (7) größer als der Durchmesser des der elastischen Rückstellkraft (5) benachbarten Kolbenabschnitts (9) bemessen ist, und wobei in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbenschiebers (6) der Anschluß (28) für den Verbraucher (V) über die den magnetseitigen Kolbenabschnitt (7) von dem mittleren Kolbenabschnitt (8) trennende Einschnürung (10) sowie einen Bypass (30) mit dem am magnetseitigen Ende des Ventilgehäuses (4) liegenden Anschluß (25) für das Arbeitsfluid und über die den mittleren Kolbenabschnitt (8) von dem der Rückstellkraft (5) benachbarten Kolbenabschnitt (9) trennende Einschnürung (11) mit dem Rücklauf (T) verbindbar ist.

2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, daß neben den Mündungen (27, 34, 37, 33) der Anschlüsse (25, 30, 35, 28) in die Längsbohrung (3) am Umfang des Kolbenschiebers (6) zur Anlage gelangende Dichtungen (16, 21, 22) vorgesehen sind.

3. Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Arbeitsfluid beaufschlagbaren Bereiche der Längsbohrung (3) und der Anschlüsse (25, 28, 30, 35) sowohl gegenüber der Umgebung als auch gegeneinander durch Dichtungen (16) aus einem hartgestellten Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen, trennbar sind, welche von Weichdichtungen (20) aus Kunstkautschuk ständig gegen den Umfang der Kolbenabschnitte (7-9) gedrückt sind.