DE4040523A1 - Kraftausgeglichener, hydraulischer kolbenschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Kolbenschieber, wie sie zum Beispiel in Baggern oder dergleichen verwendet werden. Der Fahrer eines solchen Fahrzeuges steuert gewöhn­ lich manuell einen Betätigungshebel, um einen zylindrischen Schieberkolben innerhalb des Kolbenschieberventiles hin und her zu bewegen. In vielen Fällen verändern sich die physi­ schen Kräfte, die zur Betätigung des Schieberkolbens erfor­ derlich sind als Funktion der Drosselung oder des Steuerungs­ zyklus des Schieberventiles. Idealerweise sollten solche Ven­ tile kraftausgeglichen sein und keine unausgeglichenen Steuer­ kräfte enthalten, welche der Fahrer überwinden muß.

Es wurden schon zahlreiche Versuche gemacht, diese Kräfte zu reduzieren, die zur Bewegung hydraulischer Schieberven­ tile oder Kolbenschieber erforderlich sind. In manchen Fäl­ len wurde versucht, die axialen Strömungskomponenten, die normalerweise in einem Schieberventil auftreten, in radiale Komponenten umzuformen, um axiale Kräfte auf das Ventil zu vermeiden oder zu reduzieren. Obwohl in manchen Fällen zu­ friedenstellend, fehlt dieser Lösung die Dauerhaftigkeit. Auch im Hinblick auf auftretende hydraulische Stöße unter Belastung ist es erwünscht, daß etwaige unabgeglichene Kräfte so klein wie möglich bleiben.

Das hier beschriebene hydraulische Schieberventil reduziert die für das Schalten des Ventiles erforderlichen Kräfte und ermöglicht dadurch eine potentiell größere Steuerungsflexi­ bilität für hydraulische Fernsteuerungen und elektro-pro­ portionale Strömungssysteme. Infolge der niedrigen Kräfte wird auch die physische Anstrengung bei manuell betätigten Systemen reduziert, wodurch eine Ermüdung des Fahrers ver­ ringert wird. Ferner bietet das System nach der Erfindung eine verbesserte Linearität und damit Konsistenz der Strö­ mungsraten als Funktion des Weges des Ventilkolbens.

In seiner bevorzugten und einfachsten Form enthält das Schie­ berventil einen Ventilkolben, der einen zentralen Kolbenab­ schnitt und ein Paar weitere Kolbenabschnitte hat, die auf gegenüberliegenden Seiten des zentralen Abschnittes angeord­ net und durch Nuten von diesem beabstandet sind. Eine Aus­ sparung oder Nut für die Zufuhr eines Fluids in jedem der beiden seitlichen Kolbenabschnitte ist an der Kante benach­ bart zu den Nuten ausgebildet. Gegenüberliegende radiale Flä­ chen am zentralen Kolbenabschnitt wirken als hydraulische Kolben. Beim erfindungsgemäßen Ventil werden geformte oder profilierte Kolbenflächen verwendet in Kombination mit den vorgenannten Nuten, um den Strom des hydraulischen Fluids von den Nuten zu den gewünschten Punkten auf den Kolbenflä­ chen zu richten.

Jede Kolbenfläche hat somit ein radiales Profil bestehend aus einem inneren und einem äußeren Ringraum, von denen jeder eine konvexe Oberfläche bildet für die Steuerung des hydraulischen Fluidstromes, der auf die Kolbenfläche trifft bzw. in Kontakt mit dieser tritt. Die beiden Ringräume je­ der Kolbenfläche sind konzentrisch und bilden eine Grenze zwischen sich in Form eines konvexen Ringes bzw. einer Kante Längs seines radialen Profils bildet der konvexe Ring einen Teilungspunkt (split point) für einen Fluidstrom, welcher Teilungspunkt einen von einer zugeordneten Nut kommenden Fluidstrom in bestimmte radial gerichtete Komponenten auf­ bricht oder aufteilt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird etwa die Hälfte des ankommenden Fluidstromes radial ein­ wärts auf seine zugeordnete Nut zu umgelenkt. Der radial in­ nere Teil des Fluidstromes wird dann in seiner Fließrichtung über der letztgenannten Nut umgekehrt, wodurch hydraulische Fluidkräfte am Ventil ausgeglichen werden.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nach­ folgend anhand der Zeichnung erläutert, in der Fig. 1 im Schnitt ein hydraulisches Schieberventil nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Teilansicht des Profiles des linken seitlichen Kolbenteils und des zentralen Kolben­ teiles des Kolbens des Schieberventils, wobei eine Bahnkurve eines hydraulischen Fluidstromes dargestellt ist, der über die Nut oder Aussparung zwischen den beiden Kolbenabschnitten strömt.

Fig. 3 zeigt den Kolben eines Schieberventiles nach dem Stand der Technik, wobei eine Fluid-Bahnkurve bei einer bisherigen Nut und das Auftreffen des Fluids auf eine Kolbenfläche auf den zentralen Kolbenabschnitt bei einem bisherigen Kolben dar­ gestellt ist.

Fig. 1 zeigt ein hydraulisches Schieberventil 1 mit einem Ventilkörper 2, der einen allgemein zylindrischen Innenraum 4 aufweist. Der Raum 4, der eine Achse a-a durch den Ventil­ körper 2 definiert, nimmt einen langgestreckten Schieberkol­ ben oder Ventilkolben 6 auf, der sich längs der Achse hin- und herbewegen kann, um den Strom eines Hydrauliköls durch den Ventilkörper 2 zu steuern. Der Kolben hat eine Mehrzahl von Steuer-Kolbenabschnitten 20, 30, die durch Steuernuten 24 getrennt voneinander sind, wie es für diese Technik üblich ist.

Ein zentraler Abschnitt 12 des Schieberventiles 10 hat eine Mehrzahl von Nuten oder Ausnehmungen 14, über die ein hydrau­ lisches Fluid direkt von einer nicht gezeigten Pumpe oder anderen Quelle zuführbar ist. Der Fluidstrom zu und von den Ausnehmungen 14 erfolgt über nicht gezeigte Kanäle, die in Fig. 1 in Querrichtung verlaufen. Während der Leerlaufphase des Schieberventiles 10 befindet sich ein Sperrventil 45 einer Lastsperranordnung 42 in geschlossener Position wie dargestellt, da der hydraulische Druck in einem Kanal 44 nicht ausreicht, um das Ventil zu öffnen. Wenn jedoch der Kolben 6 nach rechts oder nach links verschoben wird, steigt der Druck im Kanal 44 und öffnet das Ventil 45, so daß das Fluid in und durch einen Kanal 40 strömen kann.

Es sind Paare von Speise-Ausnehmungen 18 in entsprechenden Randabschnitten von jedem eines Paares Kolbenabschnitten 20 ausgebildet, welche rechts und links vom zentralen Kol­ benabschnitt 30 liegen, wie dargestellt. Jeder Kolbenab­ schnitt einschließlich der Kolbenabschnitte 20 hat ferner eine Gruppe von Ausgleichsrillen 22, welche eine Grenz­ schmierung (boundary lubrication) erleichtern und damit eine hydraulisch betätigte axiale Bewegung des Schieberkol­ bens 6 im Gehäuse bzw. in der Ausnehmung 4.

Jeder Kolbenabschnitt 20 kommuniziert mit dem Kanal 40, der zu der Sperrventilanordnung 42 führt. Ein Paar Arbeitskanäle 48, 49 dient zur Zufuhr von hydraulischem Fluid zu Arbeits­ anschlüssen 46, 47, von denen jeder an einen Fluidmotor, z.B. einen Hydraulikzylinder, anschließbar ist. Ein Paar Entla­ stungsventile 50 oder Überlastventile ragen in die Kanäle 48, 49 hinein zum Schutz gegen Überdrücke.

Das Schieberventil 10 nach Fig. 1 wird auch Parallel-Schie­ berventil genannt. Die hydraulischen Fluidströme, die durch die linke und die rechte Seite strömen, sind symmetrisch in dem Sinn, daß jede Seite das Strömungs-Ansprechvermögen (flow response) der anderen Seite verdoppeln kann. Um daher zu be­ wirken, daß Fluid aus der linken Arbeitsöffnung 46 über den linken Arbeitskanal 48 ausströmt, wird der Kolben 6 aus der dargestellten Leerlaufposition nach rechts verschoben. Wenn sich der Kolben 6 nach rechts bewegt, nimmt der Druck im Ka­ nal 44 zu und hebt das Sperrventil 45 an in eine offene Po­ sition. Hydraulikfluid tritt dann in die Arbeitsöffnung 47 ein, strömt durch den Kanal 49, tritt in die Ausnehmung 4 ein, strömt nach links durch den schleifenförmigen Kanal 40 und nach oben durch den Kanal 48 und schließlich aus der Öff­ nung 46 aus. Wird der Schieber 6 aus der Leerlaufstellung nach links verschoben, so entsteht eine entgegengesetzte Strömung (opposite flow response). Die Leerlaufposition wird stets in der Mittelstellung des Kolbens erreicht.

Die Bewegung des Ventilkolbens wird gesteuert durch einen hydraulischen Steuerkreis, der mit niedrigerem Druck arbei­ tet als der oben beschriebene Betriebs-Kreis. Es wird die­ selbe hydraulische Fluidquelle verwendet, der Druck jedoch mit Hilfe eines Druckminderventiles reduziert. In der Aus­ führungsform nach Fig. 1 wird der Steuerkreis mittels eines nicht gezeigten manuell bedienten Hebels betätigt, der das Fluid zu rechten und linken Steueröffnungen 62 und 64 steuert, die in die Stirnkappen 63 und 65 ausgebildet sind.

In der bevorzugten Ausführungsform stützen die Stirnkappen 63 und 65 mechanische Anschläge 60 und 61 entsprechend ab, um die axiale Bewegung des Kolbens 6 zu begrenzen. Der An­ schlag 61 dient auch als Vorbelastungs-Reaktionselement in­ sofern als eine Federpackung 56 mit dem Element 61 zusammen­ wirkt, um sicherzustellen, daß der Kolben stets in die Leer­ laufposition läuft bei einem Abfall oder Verlust des hydrau­ lischen Drucks.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Speise-Kerben 18 so gestaltet, daß sie eine Drosselung des hydraulischen Fluids in die Aus­ nehmung 4 hinein bewirken, um den Kolben zurück- und vorzu­ verschieben, um die Strömungsverläufe im Ventilkörper 2 nach Wunsch zu verändern. Zwischen den beiden Kolbenabschnitten 20 liegt ein zentraler Kolbenabschnitt 30, zur Steuerung der Fluidströme. Der zentrale Kolbenabschnitt 30 hat ein Paar identischer Kolbenflächen 32, von denen je eine auf jeder seiner entgegengesetzten rechten und linken Seiten ausgebildet ist. Identische Nuten oder Rillen 24, die zwi­ schen jedem der linken und rechten Kolbenabschnitte 20 und dem zentralen Kolbenabschnitt 30 ausgebildet sind, bilden Steuerungs-Wege für Ströme des hydraulischen Fluids von den Speise-Kerben 18 zu den Kolbenflächen 32. Jede Fläche 32 ist unterteilt in ein Paar innerer und äußerer konzentri­ scher konkaver Ringräume oder Ringflächen 34, 36. Jede Kol­ benfläche hat einen Teilungspunkt 38, effektiv in Form eines konvexen Ringes, der die Grenze zwischen den Ringflächen 34 und 36 bildet, und der das beabsichtigte Ziel für einen Strom an Hydraulikfluid darstellt, der aus den Speise-Nuten oder Kerben 18 an jeder Seite des zentralen Kolbenabschnittes austritt. Die relative Lage der Teilungskante 38 gegenüber ihrer zugehörigen Kerbe 18 gewährleistet, daß etwa eine Hälfte des Fluidstromes radial einwärts über die innere Ring­ fläche 34 umgelenkt wird.

Wie Fig. 2 zeigt, sind der rechte Teil des linken Kolben­ abschnittes 20 und der linke Teil des zentralen Kolbenab­ schnittes 30 teilweise im Profil dargestellt. Ein Hydraulik­ strom, dargestellt durch Pfeile, strömt aus der Kerbe 18 mit einer Kraft F und trifft auf die Teilungskante 38 wie darge­ stellt. An der Kante 38 wird der Fluidstrom in zwei Kompo­ nenten RO und RI geteilt. Der Strom RO stellt eine radial auswärts gerichtete Komponente des Fluids dar, während der Strom RI eine radial einwärts gerichtete Komponente des Fluids darstellt. Die Komponente RO folgt dem konkaven Weg längs der Oberfläche des äußeren Ringes 36, während die Kom­ ponente RI dem radialen konkaven inneren Ring 34 folgt. Die Komponente RI kehrt somit ihre Strömungsrichtung um, d. h. sie kehrt zurück in Richtung zur Kerbe 18, wie dargestellt. Die Wirkung dieses letztgenannten Vorganges besteht darin, die Kraft F, welche auf die Kolbenfläche 32 wirkt, auszu­ gleichen.

Beispiel

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erfolgreiche und praktische Ausführungsform der Erfindung mit folgenden Parametern. Der Durchmesser des Kolbens beträgt 25,4 mm, die Kerbe 18 hat eine Breite von 7,14 mm und eine axiale Länge von 5,46 mm. Der Fluiddruck an der Kerbe ist variabel über den Drosse­ lungs-Zyklus. Er kann nach oben ein Maximum zwischen 210 und 350 kP/cm² erreichen abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall. Der Strom durch die Kerbe erreicht bis zu etwa 270 l/min. während der Drossel-Periode (throttling cycle). Die Breite der Rille oder Ausnehmung 24, gemessen zwischen den Kanten von einem der Kolbenabschnitte 20 und der Kante des zentra­ len Kolbenabschnittes 30, beträgt etwa 13 mm und sie liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 6,35 und 19,05 mm.

Der Kolben hat insgesamt acht Kerben oder Nuten, vier je Kolbenabschnitt 20. Die Kerben sind in gleichen Abständen um den Umfang der Kolbenabschnitte unterteilt, um ein Un­ gleichgewicht der Kräfte zu vermeiden, was eine seitliche Belastung des Kolbens innerhalb der Ausnhemung 4 bewirken könnte. Im vorliegenden Fall sind vier Kerben je Kolbenab­ schnitt vorgesehen, die Kerben haben daher einen Winkelab­ stand von 90°. Der Winkel jeder Kerbe, gemessen längs ihres Bodens und mit Bezug auf die Achse a-a, liegt im Bereich von 5 bis 40°. Der Winkel des hydraulischen Fluidstromes durch jede Kerbe liegt im Bereich von etwa 15 bis 45°, eben­ falls gemessen gegen die Achse a-a, während der gesamten Strömungsperiode vom Öffnen bis zum Schließen der Kerben.

Fig. 3 zeigt zum Vergleich einen Kolben 6′ nach dem Stand der Technik, wobei speziell die Kerben/Kolbenflächenausbil­ dung dargestellt ist. Ein linker Kolbenabschnitt 20′ und ein rechter zentraler Kolbenabschnitt 30′ sind durch eine Nut oder Ausnehmung 24′ getrennt. Eine Strömungskerbe 18′ erstreckt sich durch den rechten Rand des linken Kolbenab­ schnittes 20 und führt das Fluid unter einer Drosselungs­ bedingung zu, die gleich derjenigen in der oben beschriebe­ nen Erfindung ist. Man erkennt jedoch, daß die relative Aus­ richtung der Kerbe gegenüber der Kolbenfläche derart ist, daß der Fluidstrom direkt nur auf die innere konkave Ring­ fläche 34′ trifft und nur indirekt auf die äußere konkave Ringfläche 36′. Als Folge hiervon entsteht keine Rückfüh­ rungskomponente oder Rezirkulationskomponente des Fluidstroms analog dem Strom RI nach Fig. 2.

Claims (10)

1. Hydraulisches Schiberventil mit einem Ventilkörper mit einem allgemein zylindrischen Innenraum und einer Mehr­ zahl von Öffnungen im Ventilkörper, die mit dem Ventil­ raum, der eine Längsachse definiert, in Verbindung ste­ hen, um ein hydraulisches Fluid durch den Ventilraum zu fördern, der mit radialen Steuerkanten und Nuten verse­ hen ist, ferner mit einem axial beweglichen zylindrischen Kolben im Ventilraum, der radiale Kolbenabschnitte und Nuten aufweist, die mit den Steuerkanten und Nuten im Ventilraum zusammenwirken, wobei der Ventilkolben ferner mit einem zentralen Kolbenabschnitt versehen ist, an den sich auf jeder Seite eine Nut und dann ein seitlicher Kolbenabschnitt anschließt, wobei ferner jeder seitliche Kolbenabschnitt eine zentral gerichtete Kerbe an einem Rand benachbart zu seiner entsprechenden angrenzenden Nut aufweist, und durch jede Kerbe ein hydraulischer Fluid­ strom über diese benachbarte Nut gegen eine Seite des zen­ tralen Kolbenabschnittes gerichtet werden kann, und wobei schließlich jede Seite des zentralen Kolbenabschnittes eine Kolbenfläche aufweist zur Steuerung von radialen Strö­ mungskomponenten des Fluidstromes nach dem Auftreffen auf diese Kolbenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dieser Kolbenflächen eine innere radiale konkave Ring­ fläche (34) und eine äußere radiale konkave Ringfläche (36) aufweist, die zusammen einen konvexen Teilungsring (38) bil­ den, der die Grenze zwischen beiden Ringflächen darstellt, und daß dieser Teilungsring (38) relativ zu einer der Ker­ ben (18) so positioniert ist, daß ein umgekehrt gerichteter radialer Strom über jeder dieser Ringflächen (34, 36) von dem Teilungsring (38) aus ausgebildet wird.

2. Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (18) relativ zu dem dazugehörigen Teilungsring (38) (Teilungskante) so ausgerichtet sind, daß eine umge­ kehrt gerichtete axiale hydraulische Fluidströmungskompo­ nente über der benachbarten Nut (24) gebildet wird.

3. Schieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (6) eine Mehrzahl von Kerben (18) in jedem Kolbenabschnitt (20) aufweist und daß die Kerben jedes Kolbenabschnittes (20) in Umfangsrichtung in gleichen Winkelabständen um den Rand dieses Kolbenab­ schnittes verteilt sind.

4. Schieberventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Kerben (18) und der Achse a-a des Ventiles im Bereich von 5 bis 40° liegt.

5. Schieberventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des hydraulischen Fluidstromes durch jede der Kerben (18) zur Achse a-a im Bereich von 15 bis 45° liegt.

6. Schieberventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärts gerichtete axiale Strömungskomponente RI die wirksame Kraft des Fluidstromes gegen die Kolben­ fläche (32) neutralisiert.

7. Schieberventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Kraft des hydraulischen Fluids, das durch die Kerben (18) strömt, im Bereich von 210 bis 350 kP/cm² liegt.

8. Schieberventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom durch die Kerben (18) in einem Bereich von 0 bis etwa 270 l/min. veränderbar ist.

9. Schieberventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Ausnehmung (24) zwischen einem der Kolbenabschnitte (20) und dem zentralen Kolbenabschnitt (30) im Bereich von etwa 6,35 bis 19,05 mm liegt.

10. Schieberventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kolbenabschnitte (20) vier in Umfangs­ richtung in gleichen Abständen angeordnete Kerben (18) aufweist.