Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf hydraulische
Ventile, die zur Strömungssteuerung eingesetzt werden.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Ventil, das
den Fluß über eine Hauptkolben-Öffnung eines proportionalen
Richtungsventils steuert, wenn sich die Last oder der
Systemdruck ändert.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Andere Ventile und Vorrichtungen, die zur Steuerung des
Flusses eines Fluids eingesetzt wurden, wurden in der
Vergangenheit entwickelt. Das U.S. Patent Nr: 4,361,169, herausgegeben
an Williams am 30. November 1982 zeigt ein Steuerventil mit
mehreren Abschnitten. Die logischen und Meß-Elemente umfassen
einen Steuerventilabschnitt, der mit einer Signalkammer
verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den Fluidfluß durch
den Einlaß des Ventils abhängig von den von den logischen und
Meß-Elementen hervorgebrachten Signalen zu ändern. Williams
verwendet einen Hauptkolben sowie eine Bohrung, wobei mehrere
Erhebungen und U-förmige Passagen notwendig sind, um die
geeigneten Signale und Steuercharakteristika hervorzubringen.
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Das U.S. Patent No: 4,352,375, erteilt an Williams am 5.
Oktober 1982, umfaßt ebenfalls ein Steuerventil. Wie beim
früheren Williams Patent werden mehrere Erhebungen gemeinsam mit
einer komplizierten herzförmigen Flußpassage eingesetzt, um
den Fluidfluß um eine doppelte Versorgungspassage zu steuern.
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Das U.S. Patent No. 4,519,419, erteilt an Petro am 28. Mai
1985 umfaßt ein hydraulisches Ventil, das einen hohlen Kolben
mit mehreren getrennten Erhebungen unterschiedlicher
Durchmesser sowie verschiedenen Dichtdurchmessern verwendet.
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Das U.S. Patent No. 4,574,839, erteilt am 11. März 1986 an
Yeh et al, umfaßt ein druckkompensiertes
Richtungs-Steuerventil. Das Ventil ermöglicht es, daß die Flußrate bei einer
vorgebebenen hydraulischen Last unabhängig von seiner Last
konstant ist und verwendet einen in einem Hülsenventileinsatz
angeordneten Kolben sowie mehrere Federn, wobei der Kolben
sich bewegt, um eine variable Öffnung zu schaffen, um den
Hydraulikfluidfluß entsprechend der Last zu steuern. Eine
einstellbare Hülse wirkt mit einem Hohlkolben zusammen, um
einen geeigneten Betrieb des Ventils zu ermöglichen.
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Die FR-A-2180912 umfaßt ein Flußsteuerventil, das dazu
ausgelegt ist, den Fluidfluß zu einer hydraulischen Vorrichtung zu
steuern, die eine Last stützt, wobei das Ventil einen
Ventilkörper mit Einrichtungen zur Versorgung des Körpers mit Fluid
aufweist, der umfaßt: eine erste Arbeitsöffnung, die mit
einer hydraulischen Vorrichtung, die eine Last stützt,
verbunden werden kann; Mittel zur Steuerung des Fluidflusses in
Ventil, um die erste Arbeitsöffnung selektiv abzudichten,
oder um es dem Fluid zu ermöglichen, zur ersten
Fluidarbeitsöffnung der Versorgungseinrichtung zu fließen, oder es Fluid
zu ermöglichen, durch die erste Arbeitsöffnung abgelassen zu
werden; Mittel zum Messen des Rückdrucks, der durch eine mit
der ersten Arbeitsöffnung verbundenen Last hervorgerufen
wird; Mittel zur Hervorbringung eines Drucks, der für den
Fluidfluß von der Versorgungseinrichtung zur ersten
Arbeitsöffnung repräsentativ ist; und Mittel zum Vergleich des
Lastdrucks und des Rückdrucks, wobei die Vergleichsmittel einen
im wesentlichen zylindrischen Steuerkolben aufweisen, der
axial im Ventil bewegbar ist und so angeordnet ist, daß der
Rückdruck auf der unteren Fläche des Kolbens und der
Lastdruck auf der oberen Fläche des Kolbens gemessen wird, wobei
die Position des Kolbens durch die Differenz zwischen dem
Lastdruck und dem Rückdruck bestimmt wird.
Ziele und Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte individuelle
Segmentströmungssteuerung zu schaffen, deren Betrieb
einfacher und weniger aufwendig als der von Vorrichtungen, die
bisher verwendet wurden, ist.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine kompakte
individuelle Segmentströmungssteuerung zu schaffen, die nicht den
Einsatz spezieller Hülsen oder Differentialflächen benötigt,
um den Fluß entsprechend einer sich ändernden Last richtig zu
kegeln.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen individuellen
Segmentflußregulator zu schaffen, der eine einzige Feder
gemeinsam mit einem einzigen Kolben zur Steuerung des Flusses
entsprechend einer Last aufweist.
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Erfindungsgemäß wird ein Strömungssteuerventil mit einem
Ventilkörper geschaffen, der aufweist: einen
Versorgungsanschluß; einen Arbeitsanschluß, der an eine den Ladedruck am
Arbeitsanschluß erzeugende, hydraulische Vorrichtung
anschließbar ist; eine Austrittsöffnung, über die Fluid aus dem
Arbeitsanschluß austreten kann; eine den Arbeitsanschluß und
die Austrittsöffnung kreuzende horizontale Bohrung; eine die
horizontale Bohrung und den Versorgungsanschluß kreuz ende
vertikale Kammer, wobei die vertikale Kammer einen oberen
Absatz und einen unteren Absatz hat, und der
Versorgungsanschluß zwischen dem oberen und unteren Absatz in der
vertikalen Kammer angeordnet ist; einen in der horizontalen Bohrung
zum Öffnen einer ersten Öffnung auf eine vorauswählbare
Querschnittsfläche zwischen dem Arbeitsanschluß und der
vertikalen Kammer und in eine Stellung, in der der Arbeitsanschluß
mit der Austrittsöffnung verbunden ist, verschiebbaren
Hauptkolben; einen von einer Spannkraft in Richtung der
horizontalen Bohrung vorgespannten Steuerkolben in der vertikalen
Kammer mit einer oberen Kante und einer unteren Kante, wobei der
obere Absatz der vertikalen Kammer mit der oberen Kante des
Steuerkolbens eine obere Kammer und eine untere Kammer in der
vertikalen Kammer definierende Fluiddichtung und einen
Lagersitz bilden; und einen die obere Kammer mit dem
Arbeitsanschluß verbindenden Meßkanal, der ein Messen des Ladedrucks
in der oberen Kammer ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß
der massive Steuerkolben mit der unteren Fläche gegenüber der
horizontalen Bohrung liegt, wobei die untere Kante des
Steuerkolbens und der untere Absatz der vertikalen Kammer eine
zweite Öffnung variabler Größe bilden, wobei die Größe der
zweiten Öffnung durch die Stellung des Steuerkolbens in der
vertikalen Kammer bestimmt ist, wobei dann, wenn der
Hauptkolben so angeordnet ist, daß die erste Öffnung auf eine
vorherbestimmte Größe geöffnet ist, der Ladedruck in der oberen
Kammer gemessen wird, der den Steuerkolben über die obere
Fläche abwärts drückt, während ein Rückdruck in der unteren
Kammer über die untere Fläche des Steuerkolbens nach oben
drückt, wobei die Stellung des Steuerkolbens durch die
Differenz zwischen dem auf das Unterteil des Steuerkolbens
ausgeübten Rückdruck und dem aus der Vorspannkraft und aus dem
auf das Oberteil des Steuerkolbens wirkenden Ladedruck
zusammengesetzten Druck bestimmt wird.
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Die Steuerung kann auch als ein Maximalsegementdruckbegrenzer
durch Einschluß einer Öffnung in der Verbindungsleitung
zwischen der Hauptkolben-Last-Meßflußpassage und der
lastmessenden Federkammer des Steuerventils arbeiten. Sobald der durch
ein Pilotablaßventil verursachte Druckabfall die Federkraft
auf den Steuerkolben überschreitet, wird der Steuerkolben den
Fluß zum Hauptkolben unterbrechen und eine geringe Leckage
hervorrufen, um den Pilotablaßdruck aufrechtzuerhalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung - lediglich beispielhaft -
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher
erläutert.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Frontansicht eines Querschnitts des
Steuerventils gemäß der Erfindung in neutraler Stellung;
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Fig. 2 ist eine Frontansicht eines Querschnitts des
Steuerventils, wenn es einen gesteuerten Fluidfluß zurück zu einer
Arbeitsöffnung unterstützt;
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Querschnitts des Ventils
entlang der Linie 3-3 der Fig. 1.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Ein Steuerventil gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 in einem
Gehäuse 20 eingeschlossen gezeigt. Zwei Bohrungen sind durch
das Gehäuse 20 gebohrt, wobei die erste die
Hauptkolbenbohrung 22 und das mit zwei Erhebungen versehene
Steuerkompartment 24 ist. Die Zylinderöffnungen 26, 27 sind mit der
Hauptkolbenbohrung 22 verbunden. Die Hauptkolbenbohrung 22
schneidet senkrecht das Steuerkompartment 24, wobei das
Steuerkompartment 24 an seinem unteren Ende an der Hauptkolbenbohrung
22 endet.
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Eine allgemein U-förmige Kammer 28 schließt an die Seiten des
Hauptkolbens 30 auf jeder Seite des Steuerkompartments 24 an.
Der Hauptkolben 30 besitzt ein Paar Erhebungen 32, die
Fluidverbindung zwischen der Kammer 28 und dem Kompartment 24
ermöglichen oder drosseln. Ferner besitzt der Hauptkolben 30
Erhebungen 34, die Fluidverbindung zwischen der Kammer 28 und
den Zylinderöffnungen 26, 27 ermöglichen oder drosseln.
Bewegen des Hauptkolbens 30 entweder nach rechts oder links
ermöglicht selektive Verbindung zwischen einer der Zylinder-
Öffnungen 26, 27 und dem Steuerkompartment 24. Wenn der
Hauptkolben 30 verschoben wird, ist die Zylinderöffnung, die
kein Fluid von der Versorgung erhält, mit der geeigneten
Ablaßöffnung 36 oder 37 verbunden.
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Das Steuerkompartment 24 ist an seinem oberen Ende mit einem
Stopfen 38 unter Verwendung eines O-Rings 40 versiegelt, um
ein sichere Dichtung sicherzustellen. Das Kompartment 24
besitzt eine erste Meßerhebung 42 und eine obere bewegliche
Kolbenerhebung 44, die als Lagerabstützung für den Kolben 46
wirkt. Fluid von der Versorgungsöffnung 48 tritt in das
Steuerkompartment 24 zwischen den Erhebungen 42 und 44 ein. Wie
in Fig. 3 gezeigt, besitzt der Steuerkolben 46 ebenfalls
zwei Erhebungen - eine Meßerhebung 50 und eine obere Erhebung
52, die in der oberen Bohrungserhebung 44 gleitet. Bei der
bevorzugten Ausführungsform haben die Steuerkolben-Erhebungen
50 und 52 und die Bohrungserhebungen 42 und 44 alle die
gleichen nominalen Durchmesser. Eine Druckfeder 24 drückt den
Steuerkolben 46 nach unten in Richtung der Hauptkolbenbohrung
22. Diese Verschiebung nach unten wird durch den Grenzring 53
auf den Kolben 46 begrenzt. Eine Federkammer 56 wird durch
den oberen Abschnitt des Steuerkolbens, des Stopfens 38 und
der Wände des Steuerkompartments 24 umgrenzt. Die U-förmige
Kammer 28 ist in Fluidverbindung mit der Federkammer 56 über
eine dazwischen angeordnete Meßpassage 58.
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Die untere Oberfläche 60 der Steuerspule 46 dient als
Rückführungsoberfläche. Das bedeutet, daß Fluid unter Druck in
Steuerkompartment 24 unter der Erhebung 42 ein
Rückführungssignal auf der unteren Oberfläche 60 des Steuerkolbens 46
hervorruft, das der die durch die Druckfeder 54 ausgeübten
Kraft entgegenwirkt.
Betriebsweise
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Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Ventil in seinem neutralen
Zustand, d. h. daß kein gesteuerter Fluidfluß weder zu den
Zylinderöffnungen 26 noch 27 vorliegt. Wie aus Fig. 1
ersichtlich, kann der Griff 31, der die Position des Hauptkolbens 30
steuert, entweder bogenförmig nach oben oder nach unten
bewegt werden. Die Bewegung des Griffs 31 führt eine Bewegung
des Hauptkolbens 30 herbei.
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Die Fig. 2 zeigt den Hauptkolben nach rechts verschoben, als
Resultat des Anhebens des Griffs 31. Diese rechtsgerichtete
Bewegung des Hauptkolbens 30 führt zur Öffnung einer
Fluidverbindung zwischen der Zylinderöffnung 26 und dem Ablaß 36,
wodurch Passage von Fluid von der Zylinderöffnung 26 zu den
Ablaßöffnungen 36 ermöglicht ist. In ähnlicher Weise ist eine
Fluidverbindung zwischen der Zylinderöffnung 27 und der
Versorgungsbohrung 38 ermöglicht.
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Der Versorgungsfluß von der Öffnung 48 wird über die
nichtabgestützte Erhebung 50 des Steuerkolbens 46 gedrosselt, wenn
er sich von der Ventilbohrungserhebung 42 wegbewegt. Der
einzige Zeitpunkt, zu dem die Meßerhebung 50 des Steuerkolbens
46 abgestützt ist, ist dann, wenn er geschlossen ist.
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Ein Lastdruck wird von der Öffnung 27 der Federkammer 46
oberhalb des Steuerkolbens 46 übermittelt, wenn der Haupt-
Richtungssteuerkolben 30 nach rechts verschoben wird, wie in
Fig. 2 gezeigt. Wenn der Hauptkolben 30 seine Meßfläche
entlang der Erhebung 34 öffnet, wird der Lastdruck in der
Federkammer 56 gemessen. Der Lastdruck, der auf das oberste Ende
des Steuerkolbens 46 wirkt, führt die Steuerkolbenmeßerhebung
50 dazu, sich von der Bohrungserhebung 42 hinweg zu öffnen.
Wenn die Steuerkolbenerhebung 50 öffnet, führt der steigende
Fluß zum Hauptkolben 30 zu einer wachsenden Druckdifferenz
über die Hauptkolbenflächenöffnung bei der Erhebung 32. Wenn
der Druckabfall über den Hauptkolben 30 gleich der Federkraft
der Feder 54, die auf das Ende des Steuerkolbens an der
Fläche 60 wirkt, ist, führt das dazu, daß der Kolben 46 um seine
Gleichgewichtsposition schwingt. Dieser Gleichgewichtszustand
wird teilweise durch den in der Federkammer auf die
Oberfläche des Steuerkolbens 46 wirkenden Lastdruck zusätzlich zur
Vorspannkraft der Druckfeder 54 hervorgerufen. Diese
kombinierten Kräfte veranlassen die Steuerkolbenmeßerhebung 50,
sich zu öffnen. Beiden Kräften wird durch einen gesteuerten
Druck, der auf die untere Fläche 60 des Kolbens 46 wirkt,
gleichmäßig entgegengewirkt. Die Gegenkraft ist eine
Rückkraft, die dazu verwendet wird, die Steuerkolbenmeßerhebung
50
dann zu schließen, wenn der Fluß- und Druckabfall über den
Hauptkolben 30 über die Vorspannkraft der Druckfeder 54
steigen. Der Steuer-/Rückschlagdruck befindet sich stromaufwärts
der Hauptkolbenflächenöffnung bei Erhebung 32, wodurch ein
höherer Druck als der Lastdruck aufgrund des Druckabfalls
über den Hauptkolben 30 entsteht. Demzufolge entspricht der
Druckabfall über den Hauptkolben 30 der Federkraft, die auf
den Steuerkolben 46 wirkt, da der Lastdruck plus der
Federkraft gemeinsam gleich dem gesteuerten Druck sind. Die
Steuerkolbenmeßerhebung 50 wird sich selbst so positionieren, daß
sie es den Kräften ermöglicht, sich auszugleichen, und die
Meßerhebung 50 wird automatisch ihre Position innerhalb der
Kammer 24 einstellen, wenn sich die Hauptkolbenmeßfläche über
die Erhebung 32 ändert und/oder wenn der Lastdruck oder der
Flüssigkeitszuführdruck zum Steuerkolben 46 selbst sich
ändert.
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Die Rückführungsoberfläche 60 am Ende des Kolbens 46 ist Teil
der Meßerhebung 50, die den Versorgungsdruck von der Öffnung
48 auf den Regeldruck drosselt. Wenn der
Versorgungsfluiddruck auf einen niedrigeren, "gesteuerten" Druck
herabgedrosselt wird, fließt das Fluid um die Meßerhebung 50 des
Kolbens 46, um direkt auf die Fläche 60 am Ende des Kolbens
46 zu wirken. Dieser gesteuerte Druck wirkt als eine direkt
auf das Ende des Kolbens 60 wirkende Rückkraft, wenn das
Fluid zur Hauptkolbenflächenöffnung bei Erhebung 32 fließt.
Die Steuerkolbenmeßerhebung 50 besitzt einen Winkel 51, um
die auf den Kolben 46 wirkenden Flußkräfte auszugleichen.
Wenn der Winkel 51 am Kolben 46 vorgesehen ist, wächst die
Kolbenverschiebung stark, wenn die Flußkräfte die Kolben-
Öffnung zwischen der Meßerhebung 50 und der
Ventilbohrungserhebung 42 schließen wollen. Die Kolbenverschiebung bewirkt,
daß die Wirkung der Federkraft steigt, die den gegenwirkenden
Flußkräften entgegenwirkt.
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Weitere Merkmale, die dem System zugefügt werden können, ist
die Befähigung der Steuerung, als Maximalsegmentdruckbgrenzer
zu wirken. Wenn eine Öffnung 42, wie im Schraffierten in Fig.
2
gezeigt, in der Verbindungsleitung 58 zwischen der
Hauptkolbenlastmeßflußpassage 28 und der Lastmeßfederkammer
56 des Steuerventils eingerichtet ist, wird ein Druckabfall
über die Öffnung 42 dann auftreten, wenn ein
Pilot-Entlastungsventil in der Federkammer 56 angeschlossen ist und das
Entlastungsventil zu seinem vorherbestimmten Ventil geöffnet
wird. Sobald der Druckabfall die Federkraft der Feder 54 auf
den Steuerkolben 56 übersteigt, wird der Steuerkolben 46 den
Fluß zum Hauptkolben 30 unterbrechen und gerade genügend
Leckage zwischen der Erhebung 50 und der Erhebung 42
hervorrufen, um den Druck aufrechtzuerhalten, auf den das
Pilotentlastungsventil eingestellt wurde. Dies wird durchgeführt, um
den Maximaldruck einer Funktion zu limitieren oder um eine
bestimmte Klemmkraft auf einen Zylinder oder ein festes
Drehmoment auf einen sich drehenden Motor aufrechtzuerhalten.
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Variationen, Änderungen und andere Anwendungsformen sind
dem Fachmann ersichtlich. Demzufolge ist obige Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform lediglich erläuternd und
nicht limitierend aufzufassen. Der Schutzumfang der Erfindung
wird lediglich durch den Schutzumfang der begleitenden
Ansprüche begrenzt.