DE3743338C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Wegeventil mit Stel­ lungsüberwachung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein solches hydraulisches Wegeventil mit Stellungsüberwachung aus dem DE-Gm 73 06 986 bekannt, bei der in einem direktgesteuerten 4/3-Wegeventil die Stellung eines Steuerschiebers von einem induk­ tiv arbeitenden Wegaufnehmer feststellbar ist. Dabei wird der Steuerschieber von einer zwei Federn und zwei Federteller aufweis­ senden Rückstelleinrichtung in einer Mittelstellung zentriert, wo­ durch ein bestimmtes Ausfallverhalten des Wegeventils erreichbar ist. Mit Hilfe einer an den Wegaufnehmer angeschlossenen elektro­ nischen Steuereinrichtung ist feststellbar, ob der Steuerschieber seine eine Arbeitsstellung erreicht hat. Nachteilig ist, daß hier die Mittelstellung des Steuerschiebers nicht abfragbar ist. Es kann somit nicht die Anforderungen an ein hydraulisches Sicherheitsven­ til erfüllen, bei dem vor jedem Arbeitshub die Stellung des Steuer­ schiebers abgefragt werden muß, um eine eventuelle unerwünschte hy­ draulische Verbindung zum Arbeitsanschluß zu verhindern. Eine solche unerwünschte hydraulische Verbindung kann durch einen Federbruch oder durch Schieberklemmung verursacht werden und soll vor dem Ar­ beitshub überprüfbar sein, damit gegebenenfalls die Steuerung einer Maschine abgeschaltet werden kann.

Ferner ist aus der EP 00 17 868 A1 ein hydraulisches Wegeventil mit Stellungsüberwachung bekannt, das als elektrohydraulisch vorge­ steuertes Zweiwege-Patronenventil ausgebildet ist. Zur Arbeitsüber­ wachung dient hier ein an der Ventilpatrone anliegender Stößel, des­ sen Differentialkolben vom Vorsteuerdruck entgegen einer Federkraft beaufschlagt wird und dessen Stellung von einem elektromechanischen Wegaufnehmer abgefragt wird. Mit diesem Wegeventil läßt sich zwar die Funktion eines hydraulischen Sicherheitsventils darstellen, bei dem vor Öffnen einer Hauptverbindung zum Verbraucher die Hubstellung abgefragt wird. Von Nachteil ist jedoch, daß diese Lösung relativ aufwendig baut, da sie einen druckbeaufschlagten Stößel mit Diffe­ rentialkolben, Dichtungen und Feder benötigt. Zudem eignet sich diese Stellungsüberwachung weniger für Proportionalventile mit Längsschieber.

Weiterhin ist aus der DE 31 05 841 A1 ein zweistufiges Proportionalventil mit fail-safe-Funktion bekannt, bei dem ein federzentrierter Hauptschieber von einem Pilotschieber vorgesteuert wird, der von zwei Proportionalmagneten betätigt und von den Steuerdrücken des Hauptschiebers hydraulisch zentriert wird. Der Hauptschieber ist mit einem koaxial angeordneten elektromechanischen Wegaufnehmer gekoppelt, der in einem Lageregelkreis des Proportionalventils liegt. Eine Stellungsüberwachung zum Abfragen der Mittelstellung des Hauptschiebers, um einen Federbruch oder Schieberklemmen zu erkennen, ist hier weder beabsichtigt noch vorgesehen.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein hydraulisches Wegeventil mit Stellungsüberwachung zu schaffen, das bei einfacher Bauweise und hoher Sicherheit vielseitig anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Das erfindungsgemäße hydraulische Wegeventil mit Stellungsüberwa­ chung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem­ gegenüber den Vorteil, daß es mit minimalem Aufwand eine Stellungs­ überwachung erreicht, die vor einem Arbeitshub abfragbar ist, so daß das Wegeventil als Sicherheitsventil einsetzbar ist. Dabei ist ein gewünschtes Ausfallverhalten des Wegeventils erzielbar, wobei durch einfache Signalauswertung eine Aussage darüber möglich ist, ob ein durch Federbruch oder Schieberklemmen hervorgerufener Defekt vor­ liegt, so daß eine Maschine abgeschaltet werden muß. Die Stellungs­ überwachung läßt sich in äußerst einfacher Weise realisieren, baut zudem kompakt und kostengünstig. Fernerhin eignet sie sich beson­ ders gut zum Nachrüsten bei vorhandenen Serienventilen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch an­ gegebenen Wegeventils mit Stellungsüberwachung möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung nach Anspruch 2 mit verschieden starken Federn in der Rückstelleinrichtung, wodurch eine besonders sichere und einfache Überprüfung vor dem Arbeitshub möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein hydraulisches Wegeventil mit Stellungsüber­ wachung im wesentlichen im Längsschnitt und in vereinfachter Dar­ stellung.

Die Figur zeigt ein hydraulisches Wegeventil 10 mit Stellungsüber­ wachung, teilweise im Längsschnitt und in vereinfachter Darstellung. Das Wegeventil 10 ist als zweistufiges, elektrohydraulisch vorge­ steuertes, stetig arbeitendes Proportional-Wegeventil in einer Aus­ führung als 4/3-Wegeventil ausgebildet, wobei als Vorsteuerstufe 11 ein an sich bekanntes, lagegeregeltes 4/4-Vorsteuerventil verwendet wird, das auf einer Hauptstufe 12 aufgesetzt ist.

Die Hauptstufe 12 hat in an sich bekannter Weise in einem Gehäuse 13 eine durchgehende Schieberbohrung 14, in welcher ein Steuerschieber 15, der das längsbewegliche Stellglied bildet, gleitend geführt ist. Die Schieberbohrung 14 weist in üblicher Weise eine mit P bezeichne­ te Zulaufkammer 16, eine mit A bezeichnete erste sowie eine mit B bezeichnete zweite Verbraucherkammer 17 bzw. 18 sowie außenliegende, mit T bezeichnete Rücklaufkammern 19 bzw. 21 auf, wovon letztere mitein­ ander in Verbindung stehen. Zur Steuerung der üblichen Verbindungen zwischen diesen Kammern 16 bis 21 weist der Steuerschieber 15 ent­ sprechende Kolbenabschnitte 22 bis 25 auf, die mit geeigneten Steuerkanten versehen sind.

Der Steuerschieber 15 ragt mit seinen zwei kolbenartigen Endab­ schnitten 26, 27 in einen ersten (28) bzw. zweiten stirnseitigen Druckraum 29, die über die Vorsteuerstufe 11 in an sich bekannter Weise ansteuerbar sind.

In den beiden Druckräumen 28, 29 ist eine doppeltwirkende Rückstell­ einrichtung 31 untergebracht, von der eine erste Feder 32 und ein erster Federteller 33 im ersten Druckraum 28 liegen, während der zweite Druckraum 29 eine zugehörige zweite Feder 34 und ein zweiten Federteller 35 aufnimmt. Bei der Rückstelleinrichtung 31 ist die erste Feder 32 stärker ausgebildet als die zweite Feder 34, wodurch der zugehörige erste Federteller 33 an einem gehäusefesten, ersten Anschlag 36 anliegt. Unter dem Einfluß der Kraft der schwächeren zweiten Feder 34 stützt sich der Steuerschieber 15 dabei am ersten Federteller 33 ab, wodurch er in seiner gezeichneten Mittelstellung zentriert ist, in der die Hauptstufe 12 ein bestimmtes Ausfallver­ halten hat. In dieser Mittelstellung liegt zwar der zweite Federtel­ ler 35 an einer Schulter des Steuerschiebers 15 an, bildet jedoch zugleich einen freien Abstand 37 zu einem zugeordneten zweiten, ge­ häusefesten Anschlag 38.

Am Gehäuse 13 ist in Verlängerung des ersten Druckraumes 28 außen ein elektromechanischer Wegaufnehmer 39 angebaut, dessen nicht näher gezeichneter beweglicher Kern formschlüssig mit dem Steuerschieber 15 in Verbindung steht und somit an seinem elektrischen Ausgang Si­ gnale liefert, die proportional zur Auslenkung des Steuerschiebers 15 sind. Der Wegaufnehmer 39 steht mit einer zur Stellungsüberwachung dienenden elektronischen Steuereinrichtung 41 in Verbindung, die zu­ sätzlich auch mit einem Proportionalmagneten 42 und seinem zugehöri­ gen Wegaufnehmer 43 in der Vorsteuerstufe 11 in Wirkverbindung steht.

Als Steuereinrichtung 41 kann dabei ein für derartige Proportional­ ventile üblicher, an sich bekannter, handelsüblicher Proportional- Verstärker verwendet werden. Ferner kann die Steuereinrichtung 41 auch eine zusätzliche Sicherheitsschaltung für weitere Überwachungs­ funktionen aufweisen.

Wie aus der Figur näher hervorgeht, weist der Kolbenabschnitt 23 am Steuerschieber 15 eine Überdeckung 44 auf, durch welche in der ge­ zeichneten, definierten Mittelstellung des Steuerschiebers 15 ein zu einem Arbeitszylinder 45 führende Hauptleitung 46 blockiert ist. Mit Hilfe dieser Überdeckung 44 erreicht der Steuerschieber 15 in seiner federzentrierten Mittelstellung ein Ausfallverhalten, bei dem eine Verbindung von der Zulaufkammer 16 zum Arbeitszylinder 45 verhindert und somit ein Ausfahren der Kolbenstange unterbunden wird. Diese Überdeckung 44 liegt bei einem derartigen Proportional-Wegeventil 10 in einer Größenordnung, die etwa 20% des Hubes 47 ausmacht, den der Steuerschieber 15 bei seiner Auslenkung nach links - bezogen auf die Figur - ausführen kann. Im Verhältnis zu dieser Überdeckung 44 ist nun der freie Abstand 37 so groß gewählt, daß er geringfügig kleiner ist als diese Überdeckung und vorzugsweise etwa 15% des Hubes 47 ausmacht. Der Wegaufnehmer 39 ist so ausgebildet, daß er in der ge­ zeichneten, definierten Mittelstellung eine lstwertspannung von 0 Volt an die Steuereinrichtung 41 abgibt, jedoch bei maximalen Aus­ lenkungen des Steuerschiebers 15 aus der Mittelstellung nach beiden Richtungen hin eine lstwertspannung von z.B. ± 10 Volt erzeugen kann. Dabei kann der Wegaufnehmer 39 zum Ausgleich von Toleranzen im Wegeventil 10 eine kleine Totzone aufweisen, innerhalb welcher sein Ausgangssignal 0 Volt beträgt und die unter Umständen bis zu 3% des Hubes 47 betragen kann. Der Abstand 37 ist nun stets so groß ge­ wählt, daß er den Betrag dieser Totzone nennenswert überschreitet.

Die Wirkungsweise des Wegeventils 10 mit Stellungsüberwachung wird wie folgt erläutert, wobei auf die Steuerfunktion des Wegeventils 10 nur soweit eingegangen wird, als zum Verständnis der Erfindung not­ wendig ist.

Damit das Wegeventil 10 die Anforderungen eines hydraulischen Sicherheitsventils erfüllen kann, muß es möglich sein, daß vor jedem Arbeitshub die Stellung des Steuerschiebers 15 abgefragt werden kann, um eine eventuelle unerwünschte hydraulische Verbindung über die Hauptleitung 46 zum Arbeitszylinder 45 zu verhindern. Eine der­ artige unerwünschte Verbindung kann z.B. durch einen Bruch der er­ sten Feder 32 bzw. durch ein Klemmen des Steuerschiebers 15 verur­ sacht werden, was rechtzeitig erkannt werden muß, damit gegebenen­ falls die Steuerung einer zugeordneten Maschine zur Vermeidung von Unfallgefahren abgeschaltet werden kann.

Um dies zu erreichen wird beim Wegeventil 10 vor jedem Arbeitshub die Lage des Steuerschiebers 15 überprüft. Dazu wird die Vorsteuer­ stufe 11 stromlos gemacht. Dies kann einmal dadurch geschehen, daß die Versorgungsspannung am Proportionalmagneten 42 weggenommen wird. Ferner kann dies bei handelsüblichen Steuereinrichtungen 41 auch durch ein Überbrechen eines Freigabesignals erfolgen. Eine gleich­ artige Wirkung läßt sich erreichen, wenn der Steuerölzufluß zur Vor­ steuerstufe 11 unterbrochen wird. In allen diesen Fällen wird er­ reicht, daß die Vorsteuerstufe 11 in an sich bekannter Weise in eine Sicherheitsstellung schaltet, in welcher die beiden Druckräume 28, 29 der Hauptstufe 12 zum Rücklauf entlastet sind. Die Federn 32, 34 der Rückstelleinrichtung 31 bringen anschließend den Steuerschieber 15 in seine gezeichnete, federzentrierte Mittelstellung, in welcher der von der stärkeren, ersten Feder 32 belastete, erste Federteller 33 am ersten gehäusefesten Anschlag 36 anliegt, während sich am an­ deren Federteller 35 der freie Abstand 37 ausbildet.

In dieser mechanisch fixierten Mittelstellung wird nun das Istwert­ signal des Wegaufnehmers 39 von der Hauptstufe 12 überprüft und aus­ gewertet. Hat dabei das vom Wegaufnehmer 39 gemeldete Istwertsi­ gnal eine Größe von 0 Volt, so ist dies eine Aussage darüber, daß die erste Feder 32 den Steuerschieber 15 in der gezeichneten Mittel­ stellung hält, so daß die überwachte Verbindung zur Hauptleitung 46 durch die Überdeckung 44 abgesperrt ist. Die erste Feder 32 ist also nicht gebrochen und der Steuerschieber 15 ist nicht durch Schieber­ klemmen an der freien Beweglichkeit gehindert. Die Totzone im Weg­ aufnehmer 39 kann dabei so gewählt werden, daß ein z.B. am ersten gehäusefesten Anschlag 36 sich bildender Schmutzfilm zum ersten Fe­ derteller 33 hin noch keine Anzeige bewirkt.

Meldet dagegen der Wegaufnehmer 39 eine Istwertspannung von z.B. 1,5 Volt, was einen Betrag von 15% des Schieberhubes 47 ausmacht und damit der Größe des freien Abstandes 37 entspricht, so bedeutet dies, daß der zweite Federteller 35 unter der Kraft seiner Feder 34 am zweiten gehäusefesten Anschlag 38 anliegt. Da der freie Abstand 37 immer noch kleiner ist als die Überdeckung 44, welche 20% des Hubes 47 ausmacht, wird in dieser ausgelenkten Mittelstellung immer noch die Verbindung zum Arbeitszylinder 45 abgesperrt und damit eine Unfallgefahr durch ein Ausfahren des Zylinders verhindert. Die Ist­ wertspannung von 1,5 Volt oder größer ist eine Aussage darüber, daß z.B. die erste Feder 32 im ersten Druckraum 28 gebrochen sein kann oder daß ein Klemmen des Steuerschiebers 15 vorliegt.

Sollte ein Bruch der zweiten Feder 34 auf der B-Seite auftreten, so ist dies für die Sicherheit des Wegeventils unerheblich, da dann der Steuerschieber 15 durch die auf der A-Seite wirkende erste Feder 32 auf Anschlag bleibt. Sollte sich der Steuerschieber 15 z.B. durch Eigengewicht nach rechts bewegen, wobei er die Verbindung von der Zulaufkammer 16 zur zweiten Verbraucherkammer 18 aufsteuert, so ist dies für die Sicherheit nicht relevant, da bei dieser Durchströ­ mungsrichtung im Arbeitszylinder 45 die Kolbenstange eingefahren wird und somit in dessen Ausgangsstellung geht.

Mit dem proportional arbeitenden Wegeventil 10 läßt sich somit die Funktion eines hydraulischen Sicherheitsventils erreichen, bei dem die ein Ausfahren des Arbeitszylinders 45 steuernde Hauptverbindung 46 überwacht wird und vor dem jeweiligen Arbeitshub eine Aussage darüber möglich ist, ob eine Fehlfunktion durch Federbruch oder Schieberklemmen vorliegt.

Mit vorliegendem Wegeventil 10 lassen sich hydraulische Schaltungen für Werkzeugmaschinen, Pressen und dergleichen, bei denen Unfallver­ hütungsvorschriften erfüllt werden müssen und die dazu neben einem Wegeventil zwei zusätzliche Sicherheitsventile aufweisen, leichter und einfacher erstellen, da das Wegeventil 10 ein zusätzliches Si­ cherheitsventil einspart. Dies führt auch zu einer kompakteren Bau­ weise einer derartigen Steuereinrichtung, die somit näher am Ar­ beitszylinder angeordnet werden kann und damit eine verbesserte Dy­ namik ermöglicht. Der Wegfall eines einzelnen Sicherheitsventils er­ gibt ferner kleinere Druckdifferenzen sowie einen geringeren elek­ trischen Aufwand an Verdrahtung.

Selbstverständlich sind an der gezeigten Ausführungsform Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So ist das aufgezeigte Prinzip der Stellungsüberwachung nicht auf das gezeigte Wegeventil 10 in zweistufiger Bauweise begrenzt, sondern kann auch bei einem direktgesteuerten Wegeventil angewandt werden. Auch kann es zweckmäßig sein, die Stellungsüberwachung nicht nur bei einem proportional arbeitenden Wegeventil, sondern auch an einem schal­ tenden Wegeventil vorzusehen. Anstelle des gezeigten Wegaufnehmers 39 können auch andere Sensoren verwendet werden, wie z.B. Endschal­ ter, Magnetschalter, Linearpotentiometer und dergleichen. Ferner ist es ohne weiteres möglich, beim Wegeventil 10 auf der B-Seite am Endabschnitt 27 einen zusätzlichen elektrischen Stellungsanzeiger vorzusehen, um somit die Möglichkeit einer erweiterten Sicherheits­ redundanz zu erreichen. Die Stellungsanzeige ist fernerhin nicht auf die gezeigte Bauart von Wegeventilen mit Längsschiebern begrenzt, sondern läßt sich auch vorteilhaft bei Patronenventilen anwenden, insbesondere bei einer 3/3-Ventilpatrone der vorgesteuerten Bauart. Anstelle des beschriebenen Ausfallverhaltens des Steuerschiebers 15, das durch eine positive Überdeckung 44 für die Hauptleitung 46 ge­ kennzeichnet ist, kann das Ausfallverhalten auch so gestaltet wer­ den, daß in der definierten Mittelstellung z.B. ein minimaler Durch­ flußquerschnitt aufrechterhalten wird. Selbstverständlich kann die Stellungsüberwachung auch so ausgebildet werden, daß die Sicher­ heitsfunktion der hydraulischen B-Seite zugeordnet wird. Auch läßt sich die Auswertung der Signale anders vornehmen, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Obwohl die gezeigte Lösung mit unter­ schiedlich starken Federn 32, 34 eine besonders vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltung ergibt, kann es in bestimmten Anwendungs­ fällen auch zweckmäßig sein, die Stellungsüberwachung für beide Steuerrichtungen vorzusehen. In diesem Fall werden dann in der Rück­ stelleinrichtung zwei Federn mit gleich starker Vorspannung verwen­ det und die Mittelstellung so ausgestaltet, daß beiden Federtellern jeweils ein freier Abstand zugeordnet ist.

Claims (10)

1. Hydraulisches Wegeventil mit Stellungsüberwachung, bei dem in ei­ nem Gehäuse ein Stellglied aus einer federzentrierten, ein vorgege­ benes Ausfallverhalten bestimmenden Mittelstellung nach beiden Sei­ ten in Arbeitsstellungen auslenkbar ist, wobei das Stellglied eine Rückstelleinrichtung mit zwei entgegengesetzt zueinander auf das Stellglied wirkenden Federn, zwei Federtellern und gehäuse­ festen Anschlägen aufweist und dem Stellglied wenigstens ein elek­ tromechanischer Wegaufnehmer zu dessen Stellungsüberwachung zuge­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der federzentrierten Mit­ telstellung wenigstens einer (35) der Federteller (33, 35) von sei­ nem zugehörigen gehäusefesten Anschlag (38) einen freien Abstand (37) aufweist, der größer ist als eine dem Wegaufnehmer (39) zuge­ ordnete Totzone der Stellungsüberwachung und der andererseits klei­ ner ist als der dem Ausfallverhalten des Wegeventils (10) ent­ sprechende Hubbereich (44) in Mittelstellung.

2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Federn (32, 34) der Rückstelleinrichtung (31) unterschiedlich stark ausgebildet sind und der freie Abstand (37) dem Federteller (35) an der schwächeren Feder (34) zugeordnet ist, während die stärkere Fe­ der (32) das Stellglied (15) in Richtung seiner das Ausfallverhalten bestimmenden Mittelstellung belastet.

3. Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein längsbeweglicher Steuerschieber (15) eines wenig­ stens drei Wege steuernden Ventils (10) ist.

4. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stellglied (15) wenigstens einen eine Hauptleitung (46) absperrenden Kolbenabschnitt (23) aufweist, der als das Ausfallver­ halten bestimmenden Hubbereich eine positive Überdeckung (44) auf­ weist und daß der freie Abstand (37) gleich oder kleiner ist als diese Überdeckung (44).

5. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wegeventil als vorgesteuertes 4/3-Proportionalventil (10) ausgebildet ist.

6. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wegeventil als direktgesteuertes, von Magneten betätig­ tes Ventil ausgebildet ist.

7. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wegeventil als 3/3-Patronenventil ausgebildet ist.

8. Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stellungsüberwachung eine mit dem Wegaufnehmer (39) verbundene, elektronische Steuereinrichtung (41) aufweist.

9. Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand (37) etwa 15% des ent­ sprechenden Hubes (47) des Stellglieds (15) in einer Bewegungs­ richtung beträgt, wobei insbesondere die Überdeckung (44) ca. 20% und die Totzone bis ca. 3% des Hubes (47) betragen.

10. Wegeventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Proportional-Verstärker für einen Proportionalmagnet (42) aufweisende elektronische Steuereinrichtung (41) eine zusätzliche Sicherheits­ schaltung aufweist, die in dem vorhandenen Istwert-Signal eventuelle Fehler des Istwert Signals erkennt und überwacht.